Elektrisch steuerbarer Nanokäfig fängt geladene Exzitonen ein

Über sogenannte Gate-Spannungen lässt sich die Potenziallandschaft verändern, die die geladenen Exzitonen erfahren. Je nach Einstellung bewegen sich die Teilchen nahezu frei oder werden stark eingeschlossen. Im eingeschlossenen Zustand entstehen diskrete Quantenzustände – vergleichbar mit einzelnen erlaubten Energienstufen statt einem kontinuierlichen Spektrum. Diese Stufen sind im ausgesendeten Licht deutlich erkennbar .

Ein Zufallsfund im Labor

Ursprünglich wollte das Team um die Associate-Professorin Qiong Ma und den Professor Kenneth Burch einen anderen Effekt untersuchen. Bei der Analyse des Bauteils fiel den Forschenden jedoch eine „ungewöhnlich starke und diskrete Lichtemission aus einem sehr kleinen Bereich“ auf. Dieses unerwartete Signal veranlasste sie, seine Ursache genauer zu untersuchen .

Woran die echte Quantenkonfinierung zu erkennen war

Um den Effekt zu überprüfen, nutzte das Team optische Spektroskopie bei tiefen Temperaturen. Dazu gehörten Messungen der Photolumineszenz – also des von der Probe ausgesendeten Lichts – und der Reflexion. Die Experimente zeigten diskrete, quantenmechanisch eingeschlossene Exzitonen-Zustände, deren Energie sich durch elektrische Spannung verfolgen und verändern ließ .

Gerade die klar aufgelösten und spannungsabhängigen Energieniveaus sprechen für echte Quantenkonfinierung und nicht lediglich dafür, dass die Teilchen an einer zufälligen Materialstruktur lokalisiert sind.

Der nächste Schritt: Einzelphotonen statt nur abstimmbares Licht

Als Nächstes wollen die Forschenden die Form und Geometrie der Nanokäfige genauer kontrollieren. Außerdem soll das System in einen eindeutig definierten Zwei-Niveau-Zustand gebracht werden . Ein solcher Zustand wäre eine wichtige Voraussetzung für gezielte Einzelphotonenquellen und Experimente zur Korrelation einzelner Photonen.

Langfristig könnte die Technik dazu beitragen, Quanteninformationen in Materie zu speichern und sie mithilfe von Licht zu übertragen. Voraussetzung dafür wäre allerdings, dass sich die elektrisch steuerbaren Exzitonenfallen zuverlässig in größeren Anordnungen vervielfältigen lassen. Gelingt das, könnten daraus Anwendungen für Quantenkommunikation, photonische Prozessoren und skalierbare Netzwerke entstehen, die Festkörper-Quantenzustände mit einzelnen Photonen verbinden .