Nachweis einzelner MIR‐Photonen mit hoher Effizienz und geringem Rauschen

Holger Specht

Einzelne Rubidiumatome werden quasi-permanent an die Mode eines optischen Resonators hoher Finesse gekoppelt. Dies erlaubt die kohärente Emission und Absorption einzelner Photonen und damit den Informationsaustausch auf Quantenniveau. In einem ersten Experiment wird der Phasenverlauf der erzeugten Einzelphotonen-Wellenpakete mittels Zwei-Photonen-Interferenz untersucht. Während bei ununterscheidbaren Einzelphotonen Koaleszenz auftritt, ändert eine aufgeprägte Phasenmodulation dieses Interferenzverhalten. In einem zweiten Experiment wird ein optischer Quantenspeicher realisiert. Die Polarisation eines Eingangspulses wird im Atom als Überlagerung zweier Spin-Zustände abgespeichert. Das Auslesen des Speichers erfolgt durch Erzeugung eines Photons gleicher Polarisation. Der Speicher wird mittels Quantenprozesstomographie analysiert und zeigt eine hervorragende Wiedergabetreue, Effizienz und Speicherzeit.

W. Bothe, Heinz Maier‐Leibnitz

Friedrich-Schiller-Universität Jena. Multimediazentrum, Krüger, Heidemarie

Photonen sind Quanten des elektromagnetischen Feldes und damit Objekte in der Raumzeit. Ein einzelnes Photon ist durch seine Ausbreitungsrichtung und durch seine Quantenzahl gekennzeichnet. Die Detektion einzelner Photonen in der Quantenphysik ist möglich und wird durch hochempfindliche Detektoren erreicht, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Neueste Entwicklungen der Photonen-Messtechnik mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren mit einer Zeitauflösung von wenigen Pikosekunden (ps) ermöglichen nicht nur die Detektion einzelner Photonen, sondern auch die direkte Bestimmung der Quantenzahlen. Das ist von Interesse bei der digitalen sicheren Kommunikation mit einzelnen Photonen, beim optischen Rechnen mit einzelnen Photonen und bei der Bildgebung mit einzelnen Photonen. Dieser Vortrag nimmt Sie mit auf eine Reise in die Welt einzelner und verschränkter Photonen.

Wolfgang Cassing

Th. Neugebauer

Stefan Schietinger

Die hier vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit Untersuchungen an nanoskopischen Emittern und den Möglichkeiten, deren Fluoreszenzverhalten durch kontrollierte Ankopplung an photonische und plasmonische Strukturen zu beeinflussen. Zum einen werden mit Ytterbium- und Erbium-Ionen kodotierte NaYF4 -Nanokristalle untersucht, die hervorragende Eigenschaften bei der Umwandlung von niederenergetischen Photonen in solche höherer Energie besitzen. Das so entstehende Fluoreszenzlicht einer Ansammlung von Nanokristallen wird auf seine Abhängigkeit von der Anregungsintensität untersucht. Mit der Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wird eine Abhängigkeit der spektralen Zusammensetzung des Fluoreszenzlichts einzelner Nanokristalle von deren Größe im Bereich von wenigen bis 50 nm aufgezeigt. Durch gezielte Manipulation mit dem AFM werden ebenfalls einzelne Nanokristalle an Goldnanokügelchen gekoppelt und die Mechanismen der beobachteten plasmonischen Verstärkung der Emission durch zeitaufgelöste Messungen analysiert. Einzelne Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Nanodiamanten werden in einem zweiten Themenkomplex als Einzelphotonenquellen eigesetzt. Diese werden durch den Einsatz einer Nahfeld-Sonde auf Mikrokugel-Resonatoren aufgebracht, wodurch die Emission aufgrund der Ankopplung an die Flüstergalerie-Moden der Kugeln die typischen, scharfen Überhöhungen im Spektrum aufweist. Diese Methode lässt sich nicht nur verwenden, um zwei oder mehr Emitter an die selben Resonanzen einer Kugel zu koppeln. Es ist auch möglich, die Kugeln in einem Vorbereitungsschritt zu charakterisieren, und so kann insbesondere eine spektrale Übereinstimmung zwischen einer der Resonanzen und dem Emitter erreicht werden. Desweiterne wird demonstriert, wie durch die Kopplung an eine plasmonische Antenne aus Goldnanokugeln mittels AFM auch die Effizienz der Einzelphotonenquelle gesteigert werden kann.