Einzelne Moleküle auf optischen Nanofasern

Photonen sind ideale Träger von Quanteninformation. Sie erlauben eine präzise Initialisierung, sind resistent gegenüber durch die Umgebung induzierter Dekoheränz und können mit Hilfe von optischen Glasfaserkabeln über weite Strecken übertragen werden. Zur Realisierung optischer Quantennetze ist allerdings effiziente Kopplung von Quanten-Emittern mit Lichtfeldern, wie auch Skalierbarkeit dieser Systeme, erforderlich. Im hier vorgeschlagenen Projekt werden einzelne organische Moleküle an das evaneszente Felde einer optischen Nanofaser gekoppelt. Nanofasern sind der verjüngte Teil einer kommerziellen optischen Glasfaser, dessen Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge des geleiteten Lichts. Die Moleküle werden in einen Nanokristall eingebettet, der Stabilität gewährleistet und spektrale Adressierung einzelner Moleküle mittels eines schmalbandigen Lasers erlaubt. Dies ist möglich da jedes Molekül eine etwas andere Umgebung hat und dadurch seine Resonanzübergangsfrequenz etwas verschoben ist. Die Einzelmoleküle werden auf der Oberfläche der optischen Nanofaser abgeschieden. Das Lichtfeld einer solchen Nanofaser ist stark transversal gebündelt, was eine starke Interaktion zwischen dem Lichtfeld und einem einzelnen Molekül zur Folge hat. Wir werden diese Platform nutzen um grundlegende Fragen der Quantenoptik zu untersuchen und wichtige Komponenten eines Quantennetzwerks zu implementieren. Wir werden die starke optisch Nichtlinearität untersuchen, die ein einzelnes Molekül auf das Lichtfeld haben kann, was bedeutet, dass der Unterschied in der Wechselwirkung zwischen einem und mehreren Photonen mit dem Molekül messbar ist. Wir werden diesen Effekt nutzen um einen Photon-Sortierer zu realisieren, der in der Lage ist, Photonen zählend zu detektieren. Ein solcher ist ein wesentlicher Bestandteil von komplexeren Komponenten eines Quantennetzwerks. Die grosse Helligkeit der Einzel-Moleküle in ihren Gastkristallen, zusammen mit ihrer günstigen internen Energie-Struktur, macht diese zu einer ausgezeichneten Wahl um eine Einzelphotonenquelle für einen breiten Wellenlängenbereich zu realisieren. Dazu wird ein einzelnes Molekül über das Nanofaser-basierte Interface an einen Faser-Bragg-Gitter Resonator gekoppelt, der die Emission in die optische Nanofaser verbessert. Eine getriggerte Einzelphotonenquelle ist eine Voraussetzung für linear optische Quantenkommunikationsprotokolle und kann verwendet werden um präzise Spektroskopie unterhalb des Schrotrauschens durchzuführen. Da der Resonator die Kopplung der Moleküle an das Lichtfeld erhöht, ermöglicht diese expereimentelle Platform auch die Untersuchung der weichtreichenden Wechselwirkung zwischen Molekülen, die durch das Lichtfeld induziert wird. Die Übergangsfrequenz verschiedener Moleküle kann durch ein angelegtes elektrische Feld verändert werden und dies kann dazu benutzt werden, einzelne Moleküle miteinander in Resonanz zu bringen. Die resultierende Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Molekülen durch das Lichtfeld eröffnet damit eine Fülle an Experimenten in der Nanooptik und ermöglicht Implementierung und Kontrolle von Verschränkungszuständen zwischen einzelnen Molekülen, ein Effekt, der zentral für neue Quantentechnologien ist.

Photonen sind ideale Träger von Quanteninformationen. Sie können präzise manipuliert werden, sind gut von der Umgebung entkoppelt und können mit optischen Fasern über große Entfernungen transportiert werden. Um optische Quantennetzwerke zu implementieren und Skalierbarkeit zu ermöglichen, ist eine effiziente Schnittstelle von Photonen mit Quantenemittern wie einzelnen Molekülen erforderlich. In unserer Arbeit zeigen wir, wie einzelne Moleküle in Festkörpern mit dem geführten Modus einer optischen Nanofaser gekoppelt werden können. Eine Nanofaser ist die Taille einer sich verjüngenden kommerziellen optischen Faser, die einen Durchmesser unterhalb der Wellenlänge aufweist. Organische Terrylenmoleküle werden in einen para-Terphenyl-Nanokristall eingebettet, der für Stabilität sorgt und es ermöglicht, einzelne Moleküle mit einem schmalbandigen Laser spektral anzusprechen. Die mit Molekülen dotierten Nanokristalle werden auf der Oberfläche der optischen Nanofaser abgeschieden, und die starke transversale Begrenzung des geführten Lichtfelds gewährleistet eine signifikante Wechselwirkung mit sogar einem einzelnen Molekül. In unserem Aufbau sind einzelne Moleküle, die effiziente Quantenemitter sind, vollständig faserintegriert. Die Anregung und Detektion der Moleküle kann ausschließlich über die optische Nanofaser-Grenzfläche erfolgen. Durch den Vergleich der Sättigungsintensitäten verschiedener Moleküle zeigen wir, dass wir Moleküle in einem Abstand von 160 nm von der Nanofaseroberfläche untersuchen können. Um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie weiter zu verbessern, haben wir auch einen faser-integrierten Resonator implementiert, der aus einem Nanofaserabschnitt und zwei Faser-Bragg-Gitterspiegeln besteht. Wir haben erfolgreich gezeigt, dass ein solcher Resonator selbst bei kryogenen Temperaturen das starke Kopplungsregime erreichen kann, eine Umgebung, die für die meisten Festkörperquantenemitter erforderlich ist. Um die Streuung von einem Wirtskristall zu verringern und stärkere Kopplungseffizienzen zu erzielen, wurden auch andere Emitter untersucht. Die Quantenemitter, die die vielversprechendsten Ergebnisse gezeigt haben, sind Farbzentren in hexagonalem Bornitrid. Wir haben gezeigt, dass diese Quantenemitter an die geführten Moden einer optischen Nanofaser gekoppelt werden können, und haben die nicht-klassische Lichtemission dieser Art von Quantenemittern charakterisiert. Die neue experimentelle Plattform, die auf optischen Nanofasern und Festkörper-Quantenemittern basiert, eignet sich nicht nur zur Untersuchung grundlegender Fragen der Quantenoptik, sondern auch zur Implementierung von Schlüsselkomponenten eines auf optischen Fasern basierenden Quantennetzwerks.