100 MILLIONEN PHOTONEN PRO SEKUNDE AUS EINEM EINZIGEN MOLEKÜL

Quantenkommunikation, Quantennetzwerke und optische Quantencomputer beruhen alle auf demselben Grundbaustein: einer Einzelphotonenquelle, einem Bauteil, das Licht Photon für Photon auf Abruf aussendet, wobei jedes Photon dem nächsten gleicht.

Es gibt viele Kandidaten: einzelne Atome, gefangene Ionen, Halbleiter-Quantenpunkte — die ausgereiftesten — und Defekte in Diamant oder Silizium. Organische Moleküle sind ein anderer Weg. Ihre Struktur wird durch die Chemie festgelegt, Atom für Atom, und ist exakt reproduzierbar; ihre Farbe lässt sich durch das Design des Moleküls wählen. Sie sind winzig und billig herzustellen. Nahe dem absoluten Nullpunkt in einem Wirtskristall gekühlt, senden sie Licht von höchstmöglicher spektraler Reinheit aus und nutzen sich praktisch nie ab.

Das Problem: Licht geht verloren

Ein Emitter sendet Licht in alle Richtungen, und vieles davon bleibt durch Totalreflexion im Material gefangen. Ein Photon, das die erste Linse verfehlt, ist für immer verloren. Die üblichen Lösungen — Mikrokavitäten, Nanodrähte — erfordern das Ätzen des Materials. Das ist hier unmöglich: Die organischen Kristalle, die das beste Licht liefern, sind empfindlich und überstehen die Herstellungsprozesse nicht.

Ein Spiegel, eine Kuppel und eine 140-Nanometer-Schicht

Das Team von Stephan Götzinger am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen setzte stattdessen auf eine planare Antenne. Ein Silberspiegel liegt unter einer Schicht aus Siliziumdioxid. Darauf ist eine Halbkugel aus Zirkonoxid — eine „Festkörper-Immersionslinse“ (solid immersion lens) — direkt mit dem Substrat verbunden, sodass ein Kanal von nur 140 Nanometern Dicke bleibt. Dieser Kanal wird mit einem geschmolzenen organischen Kristall (1,4-Dichlorbenzol) gefüllt, der einige Moleküle Dibenzoterrylen enthält, und erstarrt dann.

Das Licht wird zur hochbrechenden Kuppel gelenkt; der Spiegel wirft zurück, was in die andere Richtung entweichen würde. Entscheidend: Der Kristall selbst wird nie geätzt; die gesamte Strukturierung liegt im Substrat. Die Antenne beruht nicht auf einer schmalen Resonanz, funktioniert daher über einen breiten Farbbereich und hängt kaum davon ab, wie das Molekül ausgerichtet ist. Die Probe wird auf 1,4 Kelvin (−271,75 °C) gekühlt.

Die Zahlen

• Sammeleffizienz: 97 ± 2 % des Lichts erreichen die erste Linse.
• Etwa 100 Millionen Photonen pro Sekunde werden von einem Molekül über sein gesamtes Spektrum gesammelt — laut den Autoren die höchste Rate, die je für eine kryogene Einzelphotonenquelle berichtet wurde, gleich welcher Plattform. Die detektierte Rate, 21,3 Millionen Zählereignisse pro Sekunde, ist zehnmal höher als bei bisherigen kryogenen Molekülquellen.
• Reinheit: über 97,5 % — die Photonen kommen wirklich einzeln heraus, selbst bei starker Anregung.
• Ununterscheidbarkeit: 91,2 ± 2,3 % — wie identisch aufeinanderfolgende Photonen sind, begrenzt durch einen kleinen verbleibenden Kohärenzverlust.
• Zwei Photonen, die 170,7 Nanosekunden nacheinander ausgesendet werden, interferieren noch mit hoher Sichtbarkeit.
• Als Nebenprodukt maß das Team, dass das Molekül etwa 90 % seiner Anregungen in Licht umwandelt — die erste direkte Tieftemperaturschätzung für dieses Molekül.

Organische Moleküle steigen ins Rennen ein

Die Ergebnisse reihen organische Moleküle unter die konkurrenzfähigen Plattformen für Einzelphotonen ein: hell, rein und kohärent zugleich. Da die Antenne nicht auf ein bestimmtes Molekül abgestimmt werden muss, erwarten die Autoren, dass sie auch mit anderen Molekül-Kristall-Paaren funktioniert, und damit bei anderen Farben. Ihr nächstes Ziel: mehrere benachbarte Moleküle auf dieselbe Frequenz abzustimmen, um komplexere Quantenzustände des Lichts zu erzeugen — ein Schritt hin zu künftigen quantenphotonischen Netzwerken.