Schwingende Lichtmoleküle Uni Augsburg NIM Nanomechanik

Das Nanobeben stellt im Lichtmolekül die Verbindung zwischen den beiden Resonatoren her und einzelne Photonen springen - wie von den roten Pfeilen angedeutet - hin und her. Bild: Krenner

Wissenschaftlern des Instituts für Physik der Universität Augsburg und des Walter Schottky Instituts der Technischen Universität München ist es bei ihren gemeinsamen Forschungen im Rahmen des Exzellenzclusters ‚Nanosystems Initiative Munich’ (NIM) gelungen, mit nanomechanischen Schallwellen ein ‚Lichtmolekül’ zu kontrollieren, das von zwei benachbarten nanophotonischen Resonatoren gebildet wird, heißt es. Das von Professor Dr. Hubert Krenner am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I (Professor Dr. Achim Wixforth) geleitete NIM-Forscherteam hat demnach herausgefunden, dass die Vibration der Schallwellen die beiden Resonatoren, die das photonische Molekül bilden, mit einer bislang nie dagewesenen Geschwindigkeit verbinden und trennen.

Für ihre Experimente nutzten Krenner und sein Doktorand Stephan Kapfinger in ihrem Augsburger Labor Halbleitermembranen in Nanometerstärke, in die sie unter Reinraumbedingungen eine große Zahl periodisch angeordneter winzigster Löcher bohrten. Mit solch einer Struktur kann ein sogenannter photonischer Kristall, Licht mit exakt definierter Energie oder Farbe also, eingefangen werden, und zwar in einem Nanoresonator, der entsteht, wenn die Regelmäßigkeit der Bohrungen durch den minimalen Defekt dreier fehlender Löcher unterbrochen wird.

Gemeinsam mit der Forschergruppe um Dr. Michael Kaniber und Professor Dr. Jonathan Finley an der TU München entwarfen und bauten Kapfinger und Krenner ein photonisches Molekül in Form zweier solch aneinandergrenzenden Nanoresonatoren, in denen Photonen, einzelne Lichtquanten also, hin- und herschwingen können. „In unserem Lichtmolekül verhalten sich die Photonen exakt so wie sich die Elektronen verhalten, die in einem Wasserstoffmolekül eine chemische Verbindung verursachen. Während die beiden Wasserstoffatome, die ein H2-Molekül bilden, von Natur aus absolut identisch sind, sind dies die von uns konstruierten - künstlichen - nanophotonischen ‚Atome’ in aller Regel nicht. Und diese winzigen, im Nanobereich liegenden Abweichungen künstlich erzeugter photonischer ‚Atome’ sind der Realisierung photonischer Bauelemente oder gar photonischer Schaltkreise im Wege gestanden“, sagt Kapfinger.

Die Nanowissenschaftler haben dieses Problem nun mit einem eleganten Trick gelöst: Mit einem ‚Nanoerdbeben’ auf einen Chip erzeugten sie eine extrem kleine Schallwelle, mit der sich die eine der beiden Nanoresonatoren ihres photonischen Moleküls komprimieren und die andere zugleich entsprechend dehnen lässt. „Auf diese Weise können wir die herstellungsbedingten Minimalabweichungen zwischen beiden ausgleichen und für einen kurzen Moment absolute Identität, wie sie bei den beiden Atomen des Wasserstoff-Moleküls gegeben ist, herstellen - wobei dieser Moment auf dem Wellenzyklus sich exakt definieren lässt und dadurch die absolute Kontrolle über die Verbindung beider Resonatoren ermöglicht“, berichtet Krenner

„Es war faszinierend zu sehen dass die beiden Resonatoren nicht, wie man eigentlich annehmen würde, dasselbe Licht abstrahlen, sondern dass die Farben sich gegenseitig gewissermaßen abstoßen. Der Unterschied zwischen ihnen spiegelt die Intensität der ‚Bindung’ des photonischen Moleküls wider. Schon viele Forscher haben an der Messung dieser Effekte hart, aber mit bislang wenig Erfolg gearbeitet“, so Kapfinger. „Mit unserem Experiment konnten wir nicht nur zeigen, wie man ein Lichtmolekül mit bislang nicht gekannter Geschwindigkeit messen und kontrollieren kann. Wir konnten darüber hinaus auch zeigen, dass nanomechanische Wellen effizient in optische Signale konvertiert werden können. Das ist quantenmechanische Kontrolle im wahrsten Sinne des Wortes.“