Neues Experiment liefert Erkenntnisse über nanoskalige Systeme
Mit neuen optischen Technologien konnte ein internationales Forscherteam die Interaktionen in nanoskaligen Systemen beobachten. Die Ergebnisse dieses Experiments mit hoch auflösender Laserspektroskopie, das am Center for NanoScience der Ludwig-Maximilian-Universität (LMU) in München durchgeführt wurde, wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht. Die Forscher maßen Photonen, die von einem einzelnen Quantenpunkt, einer Halbleiter-Nanostruktur, abgegeben werden und erhöhten gleichzeitig die Laserintensität, um die optische Absorption des Punktes zu sättigen. Dadurch konnten sie dank des so genannten Fano-Effekts zum ersten Mal sehr schwache Interaktionen zwischen dem Material und seiner Umgebung nachweisen. Dieser Effekt verändert die Art und Weise, in der ein Atom oder ein Molekül Licht oder Strahlung absorbiert, erklärt Sasha Govorov, theoretischer Physiker an der Ohio University und Ko-Autor der Studie. Er entsteht, wenn ein Quantenzustand - ein Atom oder ein Molekül - mit einem kontinuierlichen Zustand des Vakuums oder des Hostmaterials, das ihn umgibt, interagiert. Die Heisenbergsche Unschärferelation behindert oft die Beobachtung des Fano-Effekts in nanoskaligen Systemen, das heißt, die Interaktion zwischen dem System und dem es umgebenden Material kann nicht beobachtet werden. Die Unschärferelation ist ein Konzept der Quantenphysik, das besagt, dass je genauer die Position eines Teilchens bestimmt wird, desto weniger genau der Impuls bestimmt werden kann und umgekehrt. Angesichts der Winzigkeit des Systems ist es unmöglich, beide Faktoren gleichzeitig genau zu bestimmen. "Unsere Theorie lässt den Schluss zu, dass der nicht lineare Fano-Effekt und die mit ihm zusammenhängende Methode potenziell auf viele physikalische Systeme angewandt werden können, um schwache Interaktionen zu zeigen", so Govorov. "Wir können neues Terrain in der Quantenoptik erforschen", fügte Professor Khaled Karrai von der LMU hinzu. Die Studie wurde von verschiedenen nationalen Organisationen aus Deutschland, dem UK und den USA sowie von der EU im Rahmen des Exzellennetzes SANDiE (Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics) gefördert. Letzteres wurde unter dem Sechsten Rahmenprogramm (RP6) mit einem Budget von 9,2 Mio. EUR ausgestattet. Ziel des SANDie-Netzwerks, das 32 Partner aus 14 Ländern innerhalb und außerhalb der EU zusammenführt, ist es, einen kohärenten Forschungsansatz im Bereich selbstorganisierte Halbleiter-Nanostrukturen (SAN) zu entwickeln. SAN, zum Beispiel selbstorganisierte Quantenpunkte (QDs), die sich unter bestimmten Bedingungen spontan bilden, sobald Halbleitermaterial in mehreren Schichten auf ein Substrat aufgetragen wird, könnten eine Möglichkeit bieten, elektronische Geräte noch weiter zu miniaturisieren und gleichzeitig die Herstellungskosten in Schach zu halten.