Freie Elektronen erzeugen Quantenlicht aus abgezählten Teilchen

Forschende aus Göttingen und Lausanne haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich Quantenlicht mithilfe eines Elektronenstrahls erzeugen lässt

• Neues Verfahren entwickelt: Forschende haben Quantenlicht mit einem Elektronenstrahl anstelle eines Lasers erzeugt.
• Besondere Eigenschaften: Die betrachtete Art von Quantenlicht zeichnet sich, anders als LED- oder Laserlicht, durch eine genau bestimmte und immer gleiche Zahl an Lichtteilchen pro Lichtpuls aus.
• Möglicher Nutzen: Die neu entwickelte Methode könnte einen wertvollen Beitrag zu zukünftigen Quantenoptik- und Quantentechnologie-Anwendungen liefern.

Quantentechnologie mit Licht ist für die Wissenschaft und Industrie ein hoch relevantes Thema. Sie benötigt jedoch spezielles „Quantenlicht“, das fundamental andere Eigenschaften aufweist als übliches Licht. So kann es beispielsweise eine genau bestimmte Anzahl an Lichtteilchen, sogenannten Photonen, enthalten. Wissenschaftler*innen arbeiten intensiv daran, solche Lichtzustände effizient und zuverlässig zu erzeugen.

Ein Team um Claus Ropers vom Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und der Universität Göttingen hat nun zusammen mit Forschenden um Tobias Kippenberg von der EPFL Lausanne (Schweiz) eine grundlegend neue Methode entwickelt, um Quantenlicht zu generieren. Dafür nutzten sie nicht wie üblich Laser, sondern hochenergetische freie Elektronen aus einem Elektronenmikroskop. Die Arbeiten der Gruppe sind nun in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.

Licht aus Elektronen

In den Experimenten positionierten die Wissenschaftler*innen einen Elektronenstrahl nahe an einem  sogenannten Lichtleiter aus speziellem Glas. Haben Elektronen und Licht die gleiche Geschwindigkeit, erzeugen die Elektronen sehr effizient Photonen im Lichtleiter. Das Licht wird anschließend durch diesen entlang bestimmter Bahnen in eine Glasfaser geleitet, in der es das Mikroskop verlässt und detektiert wird. „Generell ist das Erzeugen von Licht durch Elektronen ein bekanntes Phänomen, das man beispielsweise früher bei einem Röhrenfernseher genutzt hat“, sagt Germaine Arend, Postdoktorandin am MPI und Erstautorin der Studie. „Das Besondere an dem von uns genutzten Prozess ist jedoch die präzise Verknüpfung des erzeugten Lichts mit den einzelnen, erzeugenden Elektronen.“ Jedes Elektron kann dadurch gemeinsam mit „seinen“ Photonen gemessen werden. Gleichzeitig lässt sich durch die Messung der Energieänderung der Elektronen genau ablesen, wie viele Photonen es erzeugt hat.

Die Forschenden suchten dann die Elektronen heraus, die eine definierte Menge an Energie verloren hatten, um die erzeugte Photonenzahl exakt bestimmen zu können. Diese Auswahl der Elektronen ermöglicht das Erzeugen von Quantenlicht mit einer immer gleichen, abgezählten Menge an Photonen. Diese Art von Licht steht damit im Gegensatz zu üblichen Lichtquellen, wie LEDs oder Lasern, die eine unbekannte und fluktuierende Zahl an Photonen aufweisen.

Für die Zukunft

Das verwendete Verfahren nutzt einen Elektronenstrahl, wie er in typischen Elektronenmikroskopen auftritt. In Zukunft könnte es möglich sein, den quantenmechanischen Zustand der Elektronen vor der Lichterzeugung zu verändern. „Dies könnte maßgeschneidertes Quantenlicht mit noch komplexeren Eigenschaften ermöglichen“, ergänzt Max-Planck-Direktor Ropers. „Die neu entwickelte Methode könnte so einen wertvollen Beitrag zu zukünftigen Quantenoptik- und Quantentechnologie-Anwendungen liefern.“ (ga/cr)