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F.A.Z. v. 16.2.2000

Einzelne Lichtteilchen

Empfindlicher Detektor / Quantenpunkt als Schalter / Von Rainer Scharf

Wäre das menschliche Auge zehnmal so lichtempfindlich, wie es tatsächlich ist, könnten wir sogar einzelne Lichtteilchen oder Photonen sehen. Der Nachweis von Photonen des sichtbaren Spektrums ist indes mit so genannten Photomultipliern möglich. Für langweiliges infrarotes Licht gab es bislang keine vergleichbaren empfindlichen Detektoren. Solche Strahlung mit einer Wellenlänge von rund 200 Mikrometern ist für Physiker, Chemiker und Astronomen gleich interessant, da sie von vielen angeregten Molekülen erzeugt wird. Jetzt haben Forscher der Universität von Tokio einen extrem empfindlichen Detektor für langweiliges infrarotes Licht gebaut.

Das Gerät besteht aus einem winzigen Schaltkreis, in dessen Zentrum sich ein so genannter Quantenpunkt befindet. Das halbleitende Gebilde ist knapp ein tausendstel Millimeter groß und dient als Schalter. Dieser ist über zwei Tunnelkontakte mit den übrigen Teilen des Schaltkreises verbunden. Rund 350 Elektronen sitzen auf dem Quantenpunkt. In einem starken Magnetfeld wandert der größte Teil der Elektronen zum Rand, der Rest zum Zentrum des winzigen Schalters.

Die Elektronen im Zentrum haben eine geringfügig größere Energie als diejenigen am Rand. Mit einer Steuerelektrode lässt sich die Energie der Randelektronen so verändern, dass die Teilchen die Tunnelkontakte nicht passieren können. Das schaffen sie auch dann nicht, wenn man eine Spannung an den Quantenpunkt legt. Erst ein einzelnes Photon löst die Sperre.

Der Grund dafür ist der folgende: Wird ein Randelektron von einem infraroten Photon getroffen, nimmt es dessen Energie auf. Ist sie groß genug, gesellt sich das Teilchen zu den übrigen im Zentrum des Quantenpunktes hinzu. Weil die Zahl der Elektronen dort gering ist, hat dieses eine zusätzliche Elektron einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Quantenpunktes. So nimmt beispielsweise die Energie der Randelektronen deutlich ab, wodurch ein messbarer Strom von vielen Milliarden Elektronen durch die Tunnelkontakte fließen kann ("Nature", Bd. 403, S. 405). Nach rund einer Millisekunde verlässt das überzählige Elektron das Zentrum des Quantenpunktes und kehrt wieder zum Rand zurück. Daraufhin bricht der elektrische Strom zusammen, und der Detektor ist bereit für den Nachweis des nächsten infraroten Photons.

Mit diesem Verfahren kann man bestimmen, wann ein Photon mit welcher Energie eingetroffen ist. Allerdings muss das Gerät dazu auf eine extrem tiefe Temperatur von weniger als ein Grad Kelvin gekühlt werden. Sonst wird die Messung durch die Wärmestrahlung gestört, die Detektor und Messapparatur erzeugen. Zudem ist ein Magnetfeld von rund 30 000 Gauß erforderlich. Bislang registriert der Detektor nur etwa jedes hundertste Photon. Die Wissenschaftler sind aber zuversichtlich, die Ausbeute noch deutlich steigern zu können. Schon jetzt ist ihr Gerät mehr als zehntausendmal so empfindlich wie herkömmliche Infrarotdetektoren. 
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