Normales Licht von 'künstlichen Atomen'

News: Normales Licht von 'künstlichen Atomen'

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts war theoretisch klar, dass Licht aus einzelnen Teilchen besteht und somit zu den Phänomenen der Quantenwelt gezählt werden muss. Erst Jahrzehnte später wiesen Forscher experimentell nach, dass Photonen Atome und Moleküle wirklich fein säuberlich der Reihe nach verlassen. Doch auch Quantenpunkte, winzige Halbleiterkristalle, senden Licht auf dieselbe Weise aus.

Quantenpunkte sind winzige Kristalle aus einigen hundert bis zu etwa einer Million Halbleiter-Atomen, eingebettet in einen anderen Halbleiter. Ihr Durchmesser beträgt nur einige bis wenige hundert Nanometer, sodass sich bei ihnen Quanteneffekte bemerkbar machen. Das bedeutet, dass ähnlich wie in einem Atom nur ganz bestimmte Energieniveaus für die Elektronen vorhanden sind. Daher nennt man Quantenpunkte auch "künstliche Atome".

Ein Atom strahlt Licht immer dann ab, wenn ein Elektron in der Hülle von einem höheren in ein niedrigeres Energieniveau fällt. Daher gibt es eine Totzeit zwischen der Emission einzelner Lichtteilchen, der Photonen. Denn erst nachdem ein Elektron wieder auf ein höheres Niveau gelangt ist, kann das Atom das nächste Photon aussenden. Dieser Vorgang ist auch unter den Bezeichnungen Anti-Bündelung oder Quantenkorrelation bekannt. Sobald aber mehrere Atome zusammen kommen, verwischt sich dieser Effekt.

Das Forscherteam um Peter Michler von der University of California in Santa Barbara hat nun erstmals gezeigt, dass ein Quantenpunkt aus Cadmiumselenid in Zinksulfid sogar bei Zimmertemperatur auch immer nur jeweils ein Photon aussendet, obwohl er sich aus mehreren Atomen zusammensetzt. Ebenso wie bei den normalen verliert sich dieser Effekt bei den künstlichen Atomen, sobald man mehrere anhäuft. In diesem Experiment verhalten sich die Quantenpunkte genau wie Atome, was ihren Alternativnamen "künstliche Atome" bestätigt.

--> Die Forscher hoffen, ihr Ergebnis bei der Realisierung eines Quantencomputers nutzen zu können. Diese Geräte sollen in der Zukunft die heutigen Rechner ersetzen – nur kleiner, schneller und billiger. Ein normaler Computer basiert auf einem binären Code: Die einzelnen Bits nehmen entweder den Wert "Null" oder "Eins" an. Etwas Ähnliches muss es auch im Quantencomputer geben. Durch ihr Experiment haben die Forscher genau diesen entscheidenden Grundbaustein gefunden, indem sie nachgewiesen haben, dass Quantenpunkte die erforderliche Eigenschaft besitzen.

"Irgendwie haben wir erwartet, dass sich Quantenpunkte so verhalten, wie wir es gerade bewiesen haben", schmunzelt Atac Imamoglu, Mitglied der Forschungsgruppe. "Aber die wirkliche Überraschung war, dass dies bei Zimmertemperatur funktioniert." Denn bisher hatten sich zwischen natürlichen und künstlichen Atomen Parallelen nur bei tiefen Temperaturen gezeigt. "Das ist hochinteressant für Anwendungen, weil bei Zimmertemperatur zu arbeiten so viel einfacher ist als bei tiefen Temperaturen."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 13.4.1999
"Computerlogik ohne Transistoren"
Spektrum Ticker vom 10.7.2000
"Wie sich 'künstliche Atome' verhalten"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 17.1.2000
"Quantenpunkte in Reih und Glied"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum der Wissenschaft 3/93, Seite 52
"Quantenpunkte"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.