Do, 21. Juni 2018

"Photonen-Baby"

11.10.2007 11:51

Wiener Physiker beobachteten Photonen-Geburt

Österreichischen Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, die "Geburt" eines Photons in einem Laser zu beobachten. Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse konnte das Team um Karl Unterrainer (ganz rechts) vom Institut für Photonik der Technischen Universität (TU) Wien genau verfolgen, wie sich die Lichtteilchen in einem Quantenkaskadenlaser bilden. Die Arbeit der Wissenschaftler wurde in der Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Die Forscher haben in mehr als zweijähriger Arbeit zwei verschiedene Technologien vereinigt, die es ermöglichen, die stimulierte Emission von Photonen in einem Quantenkaskadenlaser direkt zu messen. Dabei handelt es sich um einen extrem schnellen und komplexen Vorgang, der von der Phase beziehungsweise dem Vorzeichen des Lichtfeldes innerhalb einer Schwingungsdauer (10-13s) entscheidend abhängt.

Bei den eingesetzten Technologien handelt es sich einerseits um die Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (hier ist das Photonik-Institut seit Jahren ein internationaler Spitzenreiter) und andererseits um die Entwicklung von Halbleiter-Nanostrukturen für die Generation von Terahertz-Strahlung. In Zukunft soll diese neue Technik eingesetzt werden um das dynamische Verhalten von Lasern zu verstehen und extrem schnelle Modulationen zu erreichen. Taktraten im Terahertzbereich (1 THz = 1000 GHz) scheinen erreichbar.

Terahertz-Strahlen wurden schon als "Wunderstrahlen" bezeichnet, die künftig Menschen durchleuchten könnten, ohne Schäden zu hinterlassen, oder für die Detektion von Sprengstoffen oder Waffen etwa auf Flughäfen eingesetzt werden könnten.

Geburtsprozess
Bei der Arbeit an der Verbesserung dieser Quantenkaskadenlaser konnten die Wissenschafter ihre Beobachtungen machen. Sie generierten aus extrem kurzen Laserpulsen ebenso kurze Teraherzpulse und schickten diese in den Quantenkaskadenlaser. Die klassische Vorstellung war, dass die hereinkommenden Photonen wie in einem Billardspiel weitere Photonen stimulieren.

Tatsächlich haben die Wiener Wissenschafter beobachtet - und damit dem schon seit langem theoretisch beschriebenen "Geburtsprozess" bestätigt -, dass das hereinkommende Photon absorbiert wird. Das ganze System wird dadurch in Schwingung versetzt, die Elektronen "schweben" zwischen Grund- und angeregtem Zustand (Superposition), wodurch verstärkt Photonen abgestrahlt werden - und ein Terahertz-Strahl entsteht.

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