Durchbruch in der Einzelphotonen-Erzeugung im mittleren Infrarot eröffnet neue Horizonte für Quantentechnologien

26. März 2025

Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) haben in Zusammenarbeit mit Kolleg*innen am DTU Electro, der University of Sheffield und der University of Copenhagen eine neuartige Methode zur effizienten Erzeugung einzelner Photonen im mittleren Infrarotbereich (MIR) vorgeschlagen. Dieser theoretische Durchbruch, veröffentlicht in Science Advances, hat das Potenzial, Quantentechnologien zu revolutionieren, indem er neue Anwendungen in der molekularen Sensorik, der Präzisionsmesstechnik und der Quantenkommunikation ermöglicht.

Schematische Darstellung des MIR-Photonen-Generationsprotokolls. (Links) Ein Quantenemitter (QE) mit der Energie ℏω₀ ist an eine optische Kavität mit der Energie ℏωc und einer Licht-Materie-Kopplungsstärke von ℏgVis gekoppelt und interagiert mit einer polaren Phononenmode der Energie ℏΩν. Die Phononenmode ist wiederum mit einer plasmonischen oder dielektrischen Antenne gekoppelt, die auf die Phononen-Resonanz eingestellt ist, mit einer Kopplungsstärke von ℏgIR. Die mittleren und rechten Bilder zeigen das zweistufige Photonen-Generationsprotokoll: (i) Ein zunächst angeregter Quantenemitter emittiert ein Photon im sichtbaren Bereich über das erste Phononen-Seitenband, das durch die Kavitätswechselwirkung Purcell-verstärkt wird. Das emittierte Photon dient als Signal für die Erzeugung eines einzelnen Phonons. (ii) Das Phonon strahlt dann über die Wechselwirkung mit der MIR-Antenne als einzelnes MIR-Photon ab.

© J. Iles-Smith et al. / AAAS

Schematische Darstellung des MIR-Photonen-Generationsprotokolls. (Links) Ein Quantenemitter (QE) mit der Energie ℏω₀ ist an eine optische Kavität mit der Energie ℏωc und einer Licht-Materie-Kopplungsstärke von ℏgVis gekoppelt und interagiert mit einer polaren Phononenmode der Energie ℏΩν. Die Phononenmode ist wiederum mit einer plasmonischen oder dielektrischen Antenne gekoppelt, die auf die Phononen-Resonanz eingestellt ist, mit einer Kopplungsstärke von ℏgIR. Die mittleren und rechten Bilder zeigen das zweistufige Photonen-Generationsprotokoll: (i) Ein zunächst angeregter Quantenemitter emittiert ein Photon im sichtbaren Bereich über das erste Phononen-Seitenband, das durch die Kavitätswechselwirkung Purcell-verstärkt wird. Das emittierte Photon dient als Signal für die Erzeugung eines einzelnen Phonons. (ii) Das Phonon strahlt dann über die Wechselwirkung mit der MIR-Antenne als einzelnes MIR-Photon ab.

© J. Iles-Smith et al. / AAAS

Einzelphotonen sind essenziell für die Quantenmetrologie und die präzise Spektroskopie, da sie die Messgenauigkeit erheblich verbessern. Während die meisten existierenden Einzelphotonenquellen im sichtbaren oder nahinfraroten Bereich arbeiten, nimmt ihre Effizienz im mittleren Infrarot- und Terahertzbereich drastisch ab. Fortschritte in der MIR-Einzelphotonenerzeugung könnten bahnbrechende Anwendungen ermöglichen, darunter nicht-invasive biologische Bildgebung, die Detektion von Schadstoffen in biologischen Flüssigkeiten und detaillierte Untersuchungen molekularer Schwingungen.

In der Studie entwickelten die Forscher*innen eine Technik, die die Kopplung zwischen Einzelphotonenquellen im sichtbaren Bereich und Phononen – den Schwingungsmoden eines Kristallgitters – nutzt, um einzelne MIR-Photonen zu erzeugen. Laut Nicolas Stenger, Associate Professor bei DTU Electro, „verstärkt der Prozess spezifische optische Übergänge, indem zunächst eine Phononenmode angeregt und anschließend über eine speziell entwickelte Antenne in ein einzelnes MIR-Photon umgewandelt wird. Diese Methode ermöglicht nicht nur die Erzeugung einzelner Photonen auf Abruf, sondern ist auch an eine Vielzahl von Quantenemittern anpassbar, darunter zweidimensionale Materialien, Nanokristalle und molekulare Systeme.“

„Indem wir die Einzelphotonen-Erzeugung im MIR-Bereich erschließen, öffnen wir die Tür zu präziseren molekularen Studien und möglichen Durchbrüchen in Bereichen wie der Medikamentenentwicklung und den Materialwissenschaften“, erklärt Mark Kamper Svendsen, Juniorprofessor an der Universität Kopenhagen und ehemaliger Forscher am MPSD, sowie Erstautor dieser Arbeit zusammen mit Jake Iles-Smith von der University of Sheffield.

„Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Nutzung von Quantenlicht für praktische Anwendungen dar und legt den Grundstein für experimentelle Validierung und zukünftige technologische Entwicklungen“, sagt Angel Rubio, Direktor der Theorieabteilung am MPSD. Die Ergebnisse ebnen den Weg für die weitere Erforschung von kavitätsgestützten Festkörpermaterialien und die Erweiterung der Quantenelektrodynamik (QED) in den Materialwissenschaften.

Basierend auf einer Pressemitteilung der DTU zu dieser Arbeit.

_{Die Forschung wurde von der Dänischen Nationalen Forschungsstiftung, der Novo Nordisk Stiftung, der Villum Stiftung, der Max-Planck-Gesellschaft, dem Max-Planck-New York City Center for Non-Equilibrium Quantum Phenomena, dem Exzellenzcluster CUI: Advanced Imaging of Matter und dem Flatiron Institute der Simons Foundation unterstützt.}

Durchbruch in der Einzelphotonen-Erzeugung im mittleren Infrarot eröffnet neue Horizonte für Quantentechnologien

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