Innovation stärkt elektronengetriggerte Lichtemissionen für quantenbasierte Rechen- und Kommunikationssysteme

Die Art und Weise, wie Elektronen mit Lichtphotonen interagieren, ist ein wesentlicher Bestandteil vieler moderner Technologien, von Lasern über Solarpanels bis hin zu LEDs. Aber die Wechselwirkung ist aufgrund einer großen Skalenabweichung von Natur aus schwach: Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist etwa 1.000-mal größer als die eines Elektrons, sodass die Art und Weise, wie sich die beiden Dinge gegenseitig beeinflussen, durch diese Ungleichheit begrenzt ist.

Jetzt sagen Forscher der University of Hong Kong (HKU), des MIT und anderer Universitäten, dass sie einen innovativen Weg gefunden haben, um robustere Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen zu ermöglichen, der die Lichtemission eines Phänomens um das Hundertfache erhöht sogenannte Smith-Purcell-Strahlung. Die Ergebnisse haben potenzielle Auswirkungen sowohl auf kommerzielle Anwendungen als auch auf die wissenschaftliche Grundlagenforschung, obwohl es noch mehr Jahre der Untersuchung erfordern wird, um sie in die Praxis umzusetzen.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht in Natur von Dr. Yi Yang (Assistenzprofessor am Institut für Physik der HKU und ehemaliger Postdoc am MIT), Dr. Charles Roques-carmes (Postdoctoral Associate am MIT) und den Professoren Marin Soljačić und John Joannopoulos (MIT-Professoren). Zum Forschungsteam gehörten auch Steven Kooi vom Institute for Soldier Nanotechnologies des MIT, Haoning Tang und Eric Mazur von der Harvard University, Justin Beroz vom MIT und Ido Kaminer vom Technion-Israel Institute of Technology.

Durch eine Kombination aus Computersimulationen und Laborexperimenten fand das Team heraus, dass die Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem speziell entworfenen photonischen Kristall – einer Siliziumplatte auf einem Isolator, in die eine Reihe von Löchern im Nanometerbereich geätzt wurde – theoretisch eine stärkere Emission durch vorhersagte viele Größenordnungen, als dies normalerweise bei herkömmlicher Smith-Purcell-Strahlung möglich wäre. Sie haben in ihren Proof-of-Concept-Messungen experimentell eine hundertfache Zunahme der Strahlung aufgezeichnet.

Im Gegensatz zu anderen Ansätzen zur Erzeugung von Lichtquellen oder anderer elektromagnetischer Strahlung ist das auf freien Elektronen basierende Verfahren vollständig abstimmbar – es kann Emissionen jeder gewünschten Wellenlänge erzeugen, indem einfach die Größe der photonischen Struktur und die Geschwindigkeit der Elektronen angepasst werden. Dies kann sich als besonders wertvoll für die Schaffung von Emissionsquellen bei Wellenlängen erweisen, die schwierig effizient zu erzeugen sind, einschließlich Terahertz-Wellen, ultraviolettem Licht und Röntgenstrahlen.

Das Team hat die hundertfache Verbesserung der Emission unter Verwendung eines umfunktionierten Elektronenmikroskops demonstriert, das als Elektronenstrahlquelle fungiert. Aber sie sagen, dass das zugrunde liegende Prinzip möglicherweise weit größere Verbesserungen ermöglichen könnte, wenn Geräte verwendet werden, die speziell für diese Funktion angepasst sind.

Der Ansatz basiert auf einem Konzept namens „Flatbands“, das in den letzten Jahren in der Physik der kondensierten Materie und der Photonik umfassend erforscht wurde, aber nie angewendet wurde, um die wesentliche Wechselwirkung von Photonen und freien Elektronen zu beeinflussen. Das zugrunde liegende Prinzip beinhaltet die Impulsübertragung vom Elektron auf eine Gruppe von Photonen oder umgekehrt. Während herkömmliche Licht-Elektronen-Wechselwirkungen auf einer einzigen Lichtmode beruhen, ist der photonische Kristall so abgestimmt, dass er die gleichzeitige Erzeugung einer ganzen Reihe von Moden mit derselben Frequenz ermöglicht.

Der exakte Prozess könnte auch in der entgegengesetzten Richtung verwendet werden, indem resonante Lichtwellen verwendet werden, um Elektronen anzutreiben und ihre Geschwindigkeit auf eine Weise zu erhöhen, die möglicherweise zum Bau miniaturisierter Teilchenbeschleuniger auf einem Chip genutzt werden könnte. Diese könnten letztendlich einige Funktionen erfüllen, für die derzeit riesige unterirdische Tunnel erforderlich sind, wie der 30 Kilometer breite Large Hadron Collider in der Schweiz.

„Wenn man tatsächlich Elektronenbeschleuniger auf einem Chip bauen könnte“, sagt Soljačić, „könnte man für einige der interessanten Anwendungen viel kompaktere Beschleuniger bauen, die immer noch sehr energiereiche Elektronen produzieren würden. Das wäre natürlich riesig, zum Beispiel für Strahlentherapie. Für viele Anwendungen müssten Sie diese riesigen Anlagen nicht bauen.“

Das System könnte auch verwendet werden, um mehrere verschränkte Photonen zu erzeugen, ein Quanteneffekt, der bei der Schaffung quantenbasierter Rechen- und Kommunikationssysteme nützlich sein könnte, sagen die Forscher. „Man kann Elektronen verwenden, um viele Photonen miteinander zu koppeln, was ein ziemlich schwieriges Problem ist, wenn man einen rein optischen Ansatz verwendet“, sagt Yang. „Das ist eine der spannenden Zukunftsrichtungen unserer Arbeit.“

Es bleibt noch viel Arbeit, diese neuen Erkenntnisse in praktische Geräte umzusetzen. Es kann unter anderem einige Jahre dauern, die notwendigen Schnittstellen zwischen den optischen und elektronischen Komponenten und deren Verbindung auf einem einzigen Chip zu entwickeln und die erforderliche On-Chip-Elektronenquelle zu entwickeln, die eine kontinuierliche Wellenfront erzeugt.

„Das ist aufregend“, fügt Roques-Carmes hinzu, „weil das eine ganz andere Art von Quelle ist.“ Während die meisten Technologien zur Lichterzeugung auf sehr spezifische Farb- oder Wellenlängenbereiche beschränkt sind und „es normalerweise schwierig ist, diese Emissionsfrequenz zu verschieben. Hier ist sie vollständig abstimmbar. Sie können die Emissionsfrequenz einfach ändern, indem Sie die Geschwindigkeit der Elektronen ändern. Das begeistert uns über das Potenzial dieser Quellen. Weil sie anders sind, bieten sie neue Arten von Möglichkeiten.“

Damit die Forschungsergebnisse mit anderen Arten von Quellen wirklich konkurrenzfähig werden, sind noch einige Jahre Forschung erforderlich. Mit einigen ernsthaften Anstrengungen könnten sie in zwei bis fünf Jahren zumindest in einigen Bereichen der Strahlung konkurrieren.