Photon-N

Photonenanzahl-auflösende und Totzeit-freie RTD-Einzelphotonendetektion

Einzelnen Photonen auf der Spur

Aktuell vollzieht sich eine enorme Entwicklung der Quantentechnologien von Forschungsergebnissen hin zu realen Anwendungen. Besonders vielversprechend für zukünftige Anwendungen sind dabei optische Verfahren, die einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Informationsträger nutzen. Konkrete Anwendungen sind vielseitig und reichen von Einzelmolekülspektroskopie und Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung in den Lebenswissenschaften bis zu optischem Quanten-Computing in integrierten photonischen Schaltkreisen. Unabhängig vom Anwendungsszenario ist es unerlässlich, einzelne Photonen gezielt erzeugen und detektieren zu können. Performante Einzelphotonen-Emitter und Einzelphotonendetektoren zählen daher zu den zukünftigen Schlüsselkomponenten. Besonders herausfordernd ist es, die genaue Photonenanzahl innerhalb eines Lichtpulses zu bestimmen.

Herkömmliche Einzelphotonendetektoren wie Lawinendurchbruch-Photodioden, oder supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren sind sogenannte „Klick“-Detektoren, welche auf Pulse von einem oder mehreren Photonen reagieren. Hierbei wird beispielsweise ausgenutzt, dass die Absorption eines Photons den Supraleiter lokal über die Sprungtemperatur erwärmt und es zu einem Zusammenbruch der Supraleitung kommt. Die genaue Photonenstatistik lässt sich mit ihnen jedoch nicht, beziehungsweise nur indirekt über Umwege abbilden. Zudem leiden unter einer Totzeit, da der Detektor nach erfolgreicher Detektion zunächst wieder in den Ausgangszustand zurückgesetzt werden muss.

Der im Projekt verfolgte, innovative Ansatz erlaubt Photonenanzahl-auflösende und totzeit-freie Photonendetektion bei vergleichsweise hohen Temperaturen und Quanteneffizienzen. Bisherigen Detektortechnologien fehlt jedoch in der Regel mindestens eine dieser Qualifikationen.

Halbleiter-Resonanztunneldioden zählen Photonen

Im Projekt werden so genannte Resonanztunneldioden (RTD) als Photonanzahl-auflösende Einzelphotonendetektoren untersucht. Dabei wird ausgenutzt, dass der elektrische Strom äußerst sensitiv auf Änderungen der lokalen elektrischen Spannung anspricht. Solch eine Änderung wird beispielsweise durch die Bestrahlung mit Licht hervorgerufen. Durch entsprechende Nanostrukturierung der Halbleiterschichten ist es möglich, Licht bis an die Quantengrenze, d. h. einzelne Photonen, zu detektieren. Sichtbar wird dies durch den stufenförmigen Anstieg des Stroms, wobei die Höhe proportional zur Anzahl der Photonen im Lichtpuls ist.

Im Erfolgsfall wird dadurch eine schnellere und effizientere Detektion einzelner Photonen möglich. Der Betrieb bei höheren Temperaturen erleichtert zudem die Einsatzfähigkeit. Die erforschte Detektortechnologie stellt somit eine wichtige Schlüsselkomponente der optischen Quantentechnologien dar.

Ansprechpartner

Dr.Bastian Hiltscher
+49 211 6214-441

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr.Sven Höfling
Julius-Maximilians-Universität Würzburg - Fakultät für Physik und Astronomie
Am Hubland , 97074Würzburg
+49 931 31-83613

Projektvolumen

ca. 349.000 € (Förderquote 100%)

Projektdauer

01.04.2019 - 31.03.2021

Projektpartner

Julius-Maximilians-Universität Würzburg - Fakultät für Physik und AstronomieWürzburg