Nanodiamant als ultraschneller optischer Schalter

Transistoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Als winzige Halbleiterbauelemente schalten und verstärken sie elektrische Signale in Computern, Fernsehern, Mobiltelefonen und anderen Geräten. Dabei gilt: Je kleiner die Schaltkreise, desto schneller können sie Informationen verarbeiten. Der weiteren Miniaturisierung sind jedoch Grenzen gesetzt – durch die Gesetze der Quantenphysik. Als viel versprechende Kandidaten für die Verarbeitung von Quanteninformationen gelten optische Transistoren, in denen der elektrische Strom durch Lichtsignale ersetzt wird. Michael Geiselmann und seinen Kollegen vom Institut für Photonik (ICFO) in Barcelona ist es nun gelungen, einen einzelnen Nanodiamanten bei Zimmertemperatur als ultraschnellen optischen Schalter zu betreiben. Ihre wissenschaftlichen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

„Das wirklich Attraktive an unserer Entdeckung ist, dass unser Nanoschalter sehr kleine Dimensionen und eine sehr schnelle Reaktionszeit mit einem Betrieb bei Zimmertemperatur kombiniert“, sagt Koautor Romain Quidant. Bisherige Forschungsarbeiten hätten gezeigt, dass zwar einzelne Moleküle als optische Transistoren betrieben werden können, allerdings nur bei extrem tiefen Temperaturen.

Für ihr Experiment nutzten die Wissenschaftler einen Nanodiamanten mit einem Durchmesser von nur siebzig Nanometern. In dessen Kristallgitter befand sich an einem Platz kein Kohlenstoff-, sondern ein Stickstoffatom, gefolgt von einer einzelnen Leerstelle. Beide zusammen bildeten das sogenannte Farbzentrum. Um den Nanodiamanten „anzuschalten“, bestrahlten ihn die Forscher mit grünem Laserlicht. Das Farbzentrum verhielt sich daraufhin wie ein einzelnes Atom und begann, Licht in Form einzelner Photonen auszusenden. Mit Laserlicht aus dem nahen Infrarot gelang es ihnen, das angeregte künstliche Atom wieder „abzuschalten“ und die Aussendung von Photonen zu unterbinden. Der Einsatz dieser zweiten Lichtquelle machte es möglich, extrem schnell zwischen den Zuständen „An“ und „Aus“ hin- und herzuschalten.

Techniken wie diese, die künstliche Atome oder Moleküle mit Licht kontrollieren, könnten weitere Ansatzpunkte für die Entwicklung von Quantencomputern und integrierten optischen Schaltkreisen liefern.