„Acceleration Beats“ werfen helles Licht auf ein neuartiges universelles Modulationsregime in einem Halbleiterlaser

Forscher am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) haben ein neuartiges Modulationsregime beobachtet, das durch die Entstehung bisher nicht beobachteter „Beschleunigungsschläge“ in einem modulierten Halbleiterlaser gekennzeichnet ist.

Wie sie in einem Papier veröffentlicht heute in Naturkommunikationdas entscheidende – und etwas kontraintuitive – Merkmal dieses neuen Regimes ist die Fähigkeit, Quantensysteme kohärent zu manipulieren, indem man Modulationsperioden verwendet, die länger sind als die Kohärenzzeit, vorausgesetzt, dass die Modulationsamplitude groß genug ist.

Die harmonische Modulation von Lichtquellen wie Lasern ist der Grundstein vieler moderner und neuer Telekommunikationstechnologien. In dieser Hinsicht sind zwei Modulationsarten bekannt: die adiabatische und die nicht-adiabatische.

Einerseits löst sich im adiabatischen Regime die Kohärenz des Lichts – das Ausmaß, in dem die Lichtwellen eine konstante, vorhersagbare Phasenverbindung aufrechterhalten – schneller auf als der Modulationszyklus (d. h. der Kehrwert der Modulationsfrequenz [EF1]).

Im nicht-adiabatischen Regime hingegen passen mehrere Modulationszyklen in die Kohärenzzeit des Systems. Letzteres Regime ist besonders wichtig für die kohärente Manipulation von Quantensystemen, erfordert aber hohe Frequenzen, typischerweise im GHz-Bereich.

Die Kontrolle von Modulationen – wie sie für die Manipulation dieser Systeme für technologische Anwendungen erforderlich ist – erfordert jedoch ein empfindliches Gleichgewicht. Laut Alexander S. Kuznetsov, dem Hauptautor der Studie, wurde in früheren Studien die Amplitude der Modulation oder die Stärke, mit der das System geschüttelt wird, weitgehend übersehen.

„Das Haupthindernis war die Tatsache, dass das System seine Kohärenz umso schneller verliert, je stärker die Erschütterungen sind“, sagte er. „Jetzt hat das PDI-Team unserer Meinung nach zum ersten Mal gezeigt, was passiert, wenn eine laserartige optoelektronische Resonanz mit extremen Modulationsamplituden moduliert wird, und einen neuartigen Aspekt einer solchen Modulation enthüllt, der durch die Beschleunigung verursacht wird. Die Modulation ist weder adiabatisch noch nicht-adiabatisch, sondern ein grundlegend anderes Regime.“

Bei den von Kuznetsov durchgeführten experimentellen Studien wurde die Emissionsenergie einer halbleiterbasierten, mikrometergroßen kohärenten Lichtquelle durch harmonische Modulation mit hoher Amplitude moduliert. Sie beobachteten, dass diese extremen Änderungen der Modulationsamplitude zur Entstehung von „Beschleunigungsschwebungen“ führten – spektrale Schwingungen, die mit unterschiedlichen Energieänderungsraten (also der Beschleunigung) der Quelle in Zusammenhang stehen und nicht mit der Geschwindigkeit der Energieänderungen, wie dies bei den meisten physikalischen Systemen unter Störungen mit geringer Amplitude der Fall ist.

Paulo V. Santos, der das Modell für die Beschleunigungsschläge entwickelte, vergleicht sie mit dem Effekt, den ein schnell rotierendes Licht in einem Leuchtturm erzeugt: Im Ruhezustand wird angenommen, dass die Lichtquelle eine enge spektrale Verteilung hat – vielleicht einen einzelnen, klar definierten grünen Lichtstrahl. Rotiert die Quelle jedoch, sieht man zunächst statt eines einzelnen Strahls zwei Strahlen mit unterschiedlichen Farben.

Diese Farbänderung ist auf den Dopplereffekt zurückzuführen: eine Änderung der Frequenz (oder Wellenlänge), die ein Beobachter wahrnimmt, wenn sich die Quelle auf ihn zu oder von ihm weg bewegt. Diese Änderung hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit ab.

„Wenn die Rotationsfrequenz weiter zunimmt, sieht man kleine Schwankungen in der Nähe der Doppler-verschobenen Emission“, sagte Santos. „Im Gegensatz zu den Doppler-Verschiebungen, die aus Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit resultieren, entstehen diese Schwankungen aus schnellen Geschwindigkeitsänderungen, also aus beschleunigten Bewegungen.“

Dieser beobachtete Effekt ist universell, das heißt, er könnte in jedem beliebigen System unter harmonischer Modulation beobachtet werden. Diese Ergebnisse sind jedoch der erste bekannte experimentelle Nachweis der Beschleunigungsschwebungen, der auf die Fähigkeit zurückzuführen ist, ein Festkörpersystem mit ausreichend großer Amplitude schnell zu modulieren. Dies wird durch die weitere Feststellung untermauert, dass die Schwebungen bereits mithilfe bestehender Modelle vorhergesagt werden konnten.

Kernstück des Experimentaufbaus war eine von Klaus Biermann entwickelte Halbleiter-Mikrokavität – im Wesentlichen eine Box aus geschichteten Halbleitermaterialien –, mit der die Forscher das von einem eingeschlossenen Polaritonenkondensat emittierte Laserlicht beobachteten.

„Ein Schlüsselbestandteil sind die eingeschlossenen Licht-Materie-Polariton-Kondensate in Halbleiter-Mikrokavitäten, die ideale helle Quellen mit abstimmbarer Kohärenz und erhöhter Empfänglichkeit für die monochromatischen akustischen Felder sind“, sagte Kuznetsov.

„Eine weitere Zutat sind piezoelektrisch erzeugte Schallwellen, die die Energie des Kondensats mit Amplituden modulieren können, die das Modulationsquant um bis zu zwei Größenordnungen überschreiten.“

Der grundlegende Charakter der Entdeckung wirft wichtige Fragen darüber auf, ob Beschleunigungsschläge auch unter anderen extremen Bedingungen bei kosmischen Phänomenen und bei hochenergetischen Teilchen beobachtet werden können.

Während potenzielle Anwendungen dieses neuen Regimes noch erforscht werden müssen, sagen die Forscher, dass die Studie neue Möglichkeiten eröffnet, hochfrequente Spektralmerkmale unter Verwendung viel niedrigerer Modulationsfrequenzen zu erzeugen und neue Protokolle für die Steuerung von Quantensystemen zu entwickeln.