Neuer Spin zur Lichtmanipulation

Eine der bedeutendsten und einzigartigsten Quanteneigenschaften von Elementarteilchen ist der Spin. Dieser Eigendrehimpuls ist von sich bewegenden Teilchen unabhängig, ist quantisiert (hat nur bestimmte diskrete Werte) und kann im Fall von Photonen polarisiert oder im Wesentlichen in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sein.

Die Quanteneigenschaften eines Lichtquantums, des Photons, öffnen die Türen zu erstaunlichen neuen Bauelementen, die noch vor kurzem der Stoff waren, aus dem Science-Fiction gemacht wird. Spin-Optronik ist Bestandteil eines wichtigen und sich neu abzeichnenden neuen Gebiets, das den Spin und die optische Polarisation in Feststoffen mit dem Ziel untersucht, quantenoptoelektronische Bauelemente zu bauen. Zehn führende europäische Teams haben ihre Kräfte vereint, um mit Hilfe der EU-Finanzierung des Projekts "Spin effects for quantum optoelectronics" (SPIN-OPTRONICS) eine neue Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auf diesem strategischen Forschungsbereich vorzubereiten.

Die 18 jungen und erfahrenen Forscher führten unter der Leitung und Betreuung der SPIN-OPTRONICS-Partner Spitzenforschung in vier Hauptbereichen durch. Auf sämtlichen Gebieten erzielte man bahnbrechende Resultate.

Eine reversible Steuerung einzelner Spins ist für die Entwicklung von Spintronikbauelementen von großem Interesse. Die Forscher widmeten sich erfolgreich den mit der Steuerung einzelner Spins in Quantenpunkt-Bauelementen verbundenen Hauptherausforderungen und demonstrierten diese Steuerung in mehreren verschiedenen Systemen.

Die Wissenschaftler entwickelten überdies Halbleiter-verschränkte Leuchtdioden (entangled light-emitting diode, ELED). Eine Quantenverschränkung tritt auf, wenn der Quantenzustand eines Teilchens von dem des anderen abhängig ist. Die ELEDs kamen in bahnbrechenden Experimenten zur Quanteninformationsverarbeitung und quantenbasierten sicheren Kommunikation (Quantum Key Distribution) zum Einsatz.

Spin-Wechselwirkungen und magnetische Effekte wurden gleichermaßen erkundet, was zur Herstellung einer neuen Klasse von Hybrid-Spin-Optronikheterostrukturen hinführte. Das Projekt wäre aber ohne die Auslieferung tatsächlich funktionierender Bauelemente nicht komplett. So entwickelten die Wissenschaftler mehrere Polariton-basierte Schaltungen (Tunneldioden, Interferometer, Schalter), bei denen die neuartigen Hybridpartikel genutzt werden, die aus Photonen bestehen, die stark an einen elektrischen Dipol gekoppelt sind. Das Projekt konnte außerdem vorführen, dass die Polaritonenströme die Ausbreitung von suprafluiden Spinströmen und magnetischen Ladungsanaloga unterstützen können, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und daher ein sehr vielversprechender Vektor für die ultraschnelle Übertragung und Bearbeitung von Informationen sind.

Das SPIN-OPTRONICS-Ausbildungsnetzwerk hat die Grenzen eines sich neu formierenden Gebiet weiter gesteckt, dessen Potenzial auf eine zukünftige kommerzielle Nutzung gewaltig ist. Übernimmt hier eine Kerngruppe europäischer Forscher die Weltspitze, so werden sich daraus in Zeiten schwerer Wirtschaftskrisen bedeutende Vorteile für die EU und ihre Ökonomie ergeben.