Der Name „Einzelphotonenemitter“ beschreibt ja bereits, was er macht. Aber worauf kommt es an, wenn man eine Quelle für einzelne Lichtteilchen haben will?
Grundsätzlich sind es drei Faktoren, die einen guten Einzelphotonenemitter ausmachen: Er soll möglichst hell sein, zuverlässig nur genau ein Photon pro Zeitintervall aussenden und das am besten immerzu. Kein Emitter vereint bisher diese drei Anforderungen in Perfektion. Entsprechend versuchen wir, die Parameter für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten zu optimieren. Für besonders helle Emitter kühlen wir etwa alles mit Flüssighelium auf tiefe Temperaturen ab. Dieser Aufwand ist gerechtfertigt, wenn wir Einzelphotonendetektoren kalibrieren wollen, wie diese dann für verschiedene Anwendungen, von der Medizin über Astronomie bis hin zum autonomen Fahren verwendet werden. Ebenso, wenn wir überhaupt zeigen wollen, dass abhörsichere Kommunikation mit Hilfe von Einzelphotonenquellen möglich ist. Für eine breitere Anwendung wäre der Kühlaufwand aber zu groß. Hier käme es also auf möglichst stabile, praktikable Aufbauten an.
Wie spiegelt sich das in deiner Forschung wider?
Meine Arbeit ist sehr nah an den Grundlagen. Ein nahezu perfekter Einzelphotonenemitter könnte viele Türen öffnen. Vor uns liegen zahlreiche Pfade in diese Richtung, doch nicht alle führen zum Ziel. Ich folge dem Pfad der organischen Moleküle. Diese haben den Vorteil ausreichend hell zu sein. Allerdings muss ich die Moleküle in eine stabile Umgebung bringen, um daraus gute Emitter zu bekommen.
Hier teilt sich mein Pfad bereits: Auf dem einen versuche ich, die Moleküle in geeigneten Kristallen „gefangen zu nehmen“. Das klappt prinzipiell sehr gut. Allerdings muss ich die Kristalle noch sehr viel kleiner bekommen, da in ihnen sonst zu viele Moleküle auf einmal unterkommen und sie damit keine Einzelphotonenquelle mehr wären. Der andere Pfad eröffnet sich über die starke Halbleitertechnik im LENA und erinnert etwas an ein Sandwich. Die Moleküle kommen dabei zwischen die einzelnen Schichten einer organischen Matrix. Auch wenn es unmöglich vorherzusagen ist, wo die Moleküle landen: Die Probe lässt sich gut vermessen und dann finde ich hoffentlich den einen einzelnen Einzelphotonenemitter.
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Laurenz Kötter/TU Braunschweig
Egal welchen der Pfade ich gerade verfolge, wenn man mich im LENA trifft, erstelle ich in der Regel entweder eine neue Probe, oder ich charakterisiere eine Probe, die ich vorher hergestellt habe. Für letzteres habe ich mir sogar ein Konfokalmikroskop in unserem Single Photon Lab aufgebaut.
Du bist eine von drei Forschenden in der Arbeitsgruppe „Einzelphotonenmetrologie im LENA“, eine PTB-Abteilung, die vollständig im LENA arbeitet. Was zeichnet euer Team aus?
Eine unserer Stärken ist auf jeden Fall unsere Agilität. Ob Proben oder Geräteaufbauten – wir machen sehr viel selbst. Mit diesem Ansatz sind wir größtenteils unabhängig von äußeren Faktoren und gleichzeitig alle sehr tief im Thema. Im Team können wir daher sehr eng zusammenarbeiten. Schließlich weiß jede Person sowohl, wie man Einzelphotonenemitter herstellen kann, als auch, wie man sie metrologisch charakterisiert.
Im LENA finden wir zudem nicht nur die richtigen Geräte, um unsere Proben zu vermessen. In den letzten anderthalb Jahren haben sich sehr viele Kooperationen mit anderen Arbeitsgruppen ergeben. Beispielsweise arbeite ich gerade noch an einem Projekt mit Professor Andreas Hangleiter zusammen, bei dem wir es auf Quantenpunkte abgesehen haben und mit Professorin Uta Schlickum, deren Gruppe uns umfassend bei der Probenherstellung unterstützt.
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Laurenz Kötter/TU Braunschweig
Zusätzlich zu den Kooperationen im LENA taucht dein Name auch im Exzellenzcluster QuantumFrontiers auf. Wie sieht da die Zusammenarbeit aus?
Im Cluster bin ich Teil der Topical Group „Single Photons“. Hinter dem Titel steckt zunächst einmal ein wahnsinnig bereichernder Austausch. In der Topical Group kommen erfahrene Wissenschaftler*innen aus Braunschweig und Hannover zum Thema Einzelphotonenquellen zusammen. Zusätzlich haben wir innerhalb der Forschungsgruppe noch eine Untergruppe für Promovierende gegründet. Wir tragen dort regelmäßig unsere neuesten Ergebnisse vor, tauschen Proben aus und helfen uns, wenn jemand scheinbar vor einer Wand steht. Bereits die Online-Meetings haben hier schon mehrfach meine eigene Forschung befeuert. Umso mehr freue ich mich, dass das nächste Treffen in Präsenz stattfinden soll.
Was möchtest du mit deiner Promotion erreichen?
In erster Linie möchte ich während meiner Promotion, und zwar unabhängig vom Ergebnis, eine selbstständige wissenschaftliche Arbeitsweise erlernen. Zum Ende meiner Promotion gibt es hoffentlich eine funktionierende Einzelphotonenquelle mit einer Probe, die ich aus Einzelphotonenemittern hergestellt habe und die die Gruppe über Jahre nutzen kann. Meine Arbeit soll einen Mehrwert haben und die Forschung in unserem spezifischen Feld ein Stückchen weiterbringen.
Neben einem stabilen Molekül, das zuverlässig einzelne Photonen abgibt, kommt im Frühjahr ein weiteres zentrales Projekt für mich hinzu. Wir wollen ein Großgerät aufbauen, mit dem wir eine besonders stabile kryogene Einzelphotonenquelle realisieren wollen. Eine meiner Hauptaufgaben wird dann sein, das Gerät mit seinem vollen Potenzial zum Laufen zu bekommen. Bei Geräten in dieser Größenordnung und Präzision ist das eine Aufgabe für viele Monate, von der aber nicht nur ich, sondern auch die Promovierenden nach mir profitieren.
