Meilenstein für optische Schaltkreise

Vahid Sandoghdar, Professor am Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich, und seiner Forschungsgruppe hat dieser Tage im Rechnen mit Photonen statt Elektronen einen entscheidenden Durchbruch geschafft. Den Wissenschaftlern gelang es mit einem einzelnen Molekül einen optischen Transistor zu erzeugen. Dafür nutzen sie die Tatsache, dass die Energie eines Moleküls quantisiert ist: Trifft Laserlicht auf ein Molekül, das sich in seinem Grundzustand befindet, wird das Licht absorbiert. Dies führt dazu, dass der Laserstrahl ausgelöscht wird. Andererseits ist es möglich, die absorbierte Energie mit einem zweiten Lichtstrahl wieder gezielt frei zu setzen. Dies geschieht, indem der Strahl den Quantenzustand des Moleküls verändert, Dadurch wird der Lichtstrahl dann verstärkt. Diese so genannte stimulierte Emission, die Albert Einstein vor mehr als 90 Jahren beschrieb, liegt auch dem Prinzip des Lasers zu Grunde.

«In einem gewöhnlichen Laser wird die Verstärkung durch eine Unmenge von Molekülen erreicht», erklärt Jaesuk Hwang, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Nano-Optik Gruppe von Sandoghdar. Indem die ETH-Wissenschaftler nun einen Laserstrahl auf nur ein einziges winziges Molekül fokussierten, haben sie es geschafft, mit genau einem Molekül stimulierte Emission zu erzeugen. Hierbei kam ihnen die Tatsache zur Hilfe, dass Moleküle bei tiefen Temperaturen in einer bestimmten Resonanzschwingung ihre Oberfläche scheinbar vergrössern. Die Forscher mussten das Molekül deshalb auf minus 272 Grad Celsius, also ein Grad über den absoluten Nullpunkt, herunter kühlen. In diesem Fall entsprach die so vergrösserte Oberfläche annähernd dem Durchmesser des fokussierten Laserstrahls.

Durch die von den Wissenschaftlern hervorgerufene kontrollierte Präparation des Quantenzustands des Moleküls mit einem Laserstrahl, konnte also ein einzelnes Molekül eine signifikante Abschwächung oder Verstärkung eines zweiten Laserstrahls hervorrufen. Diese Funktionsweise ist analog zu einem herkömmlichen Transistor, bei dem an Hand einer elektrischen Spannung ein zweites Signal moduliert werden kann.

Bauelemente wie der neue Einzelmolekül-Transistor können so auch den Weg für einen Quantencomputer ebnen. «Bis Photonen Elektronen in Transistoren ablösen sind noch viele Jahre zu forschen. In der Zwischenzeit werden Wissenschaftler lernen, Quantensysteme gezielt zu manipulieren und zu beherrschen und damit auch dem Traum eines Quantencomputers näher kommen.» sagt Sandoghdar.