Metaoberfläche. Illustration: Maria Chekhova

Innovative Quantentechnologien für Kommunikation, Bildgebung und Messtechnik sind auf Photonenpaare angewiesen, zwei Lichtteilchen, die über lange Distanzen hinweg miteinander verbunden sind. Forscher*innen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen haben gemeinsam mit Kolleg*innen in Singapur eine neue Methode entwickelt, um solche verschränkten Photonen zu produzieren – mit extrem dünnen Schichten, sogenannten Metaoberflächen.

Optische Bauteile werden immer stärker miniaturisiert. Lichtquellen, -konverter und -detektoren werden immer kleiner, eine der Strategien ist dabei eine Art flache Optik. Eine ultradünne Lage spezieller Materialien liefert Licht, eine andere dient als Linse, eine weitere als Prisma und so weiter.

Allerdings war es bisher nicht möglich, Photonenpaare, Biphotonen genannt, mit derartigen quasi zweidimensionalen Strukturen zu erzeugen. Diese verschränkten Lichtteilchen sind die Arbeitstiere für viele Aufgaben der Quantentechnik: in der Quantenkryptografie (insbesondere bei der Schlüsselübertragung), bei der Quantenbildgebung und bei der Quantenmesstechnik.

Maria V. Chekhova, Leiterin der unabhängigen Forschungsgruppe „Quantenstrahlung“ am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, und ihre Kolleg*innen haben jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht: Sie sind nun in der Lage, Photonenpaare mit Hilfe einer zweidimensionalen Quelle zu schaffen – ein Materialfilm, der dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist. Die Wissenschaftler*innen nutzen dazu Lagen aus Lithiumniobat und Galliumphosphid, die nur 300 bis 400 Nanometer (nm) dick sind (ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters). Der Mensch nimmt Licht mit Wellenlängen von rund 400 bis 700 nm wahr.

„Unsere Arbeiten öffnen die Tür zu einem neuen Forschungsgebiet, der flachen, nichtlinearen Quantenoptik“, erklärt Professor Chekhova. „Wir erwarten, dass unser Verfahren – angewandt auf Metaoberfächen – zu großen Durchbrüchen in der Nanophotonik führen kann.“ Sie und ihre Gruppe strukturieren die Halbleiterfilme nun, um die Photonenpaare noch effizienter herstellen zu können.

Kontakt:
Maria V. Chekhova
Forschungsgruppe Quantenstrahlung
maria.chekhova@mpl.mpg.de