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    Technische Physik

    Photon-N: Photonenanzahl-auflösende und Totzeit-freie RTD-Einzelphotonendetektion

    Einzelnen Photonen auf der Spur...

    Aktuell vollzieht sich eine enorme Entwicklung der Quantentechnologien von Forschungsergebnissen hin zu realen Anwendungen. Besonders vielversprechend für zukünftige Anwendungen sind dabei optische Verfahren, die einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Informationsträger nutzen. Konkrete Anwendungen sind vielseitig und reichen von Einzelmolekülspektroskopie und Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung in den Lebenswissenschaften bis zu optischem Quanten-Computing in integrierten photonischen Schaltkreisen. Unabhängig vom Anwendungsszenario ist es unerlässlich, einzelne Photonen gezielt erzeugen und detektieren zu können. Performante Einzelphotonen-Emitter und Einzelphotonendetektoren zählen daher zu den zukünftigen Schlüsselkomponenten. Besonders herausfordernd ist es, die genaue Photonenanzahl innerhalb eines Lichtpulses zu bestimmen.

    Herkömmliche Einzelphotonendetektoren wie Lawinendurchbruch-Photodioden, oder supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren sind sogenannte „Klick“-Detektoren, welche auf Pulse von einem oder mehreren Photonen reagieren. Hierbei wird beispielsweise ausgenutzt, dass die Absorption eines Photons den Supraleiter lokal über die Sprungtemperatur erwärmt und es zu einem Zusammenbruch der Supraleitung kommt. Die genaue Photonenstatistik lässt sich mit ihnen jedoch nicht, beziehungsweise nur indirekt über Umwege abbilden. Zudem leiden unter einer Totzeit, da der Detektor nach erfolgreicher Detektion zunächst wieder in den Ausgangszustand zurückgesetzt werden muss.

    Der im Projekt verfolgte, innovative Ansatz erlaubt Photonenanzahl-auflösende und totzeit-freie Photonendetektion bei vergleichsweise hohen Temperaturen und Quanteneffizienzen. Bisherigen Detektortechnologien fehlt jedoch in der Regel mindestens eine dieser Qualifikationen.

    Halbleiter-Resonanztunneldioden zählen Photonen

    Im Projekt werden sogenannte Resonanztunneldioden (RTD) als Photonanzahl-auflösende Einzelphotonendetektoren untersucht. Dabei wird ausgenutzt, dass der elektrische Strom äußerst sensitiv auf Änderungen der lokalen elektrischen Spannung anspricht. Solch eine Änderung wird beispielsweise durch die Bestrahlung mit Licht hervorgerufen. Durch entsprechende Nanostrukturierung der Halbleiterschichten ist es möglich, Licht bis an die Quantengrenze, d. h. einzelne Photonen, zu detektieren. Sichtbar wird dies durch den stufenförmigen Anstieg des Stroms, wobei die Höhe proportional zur Anzahl der Photonen im Lichtpuls ist.

    Im Erfolgsfall wird dadurch eine schnellere und effizientere Detektion einzelner Photonen möglich. Der Betrieb bei höheren Temperaturen erleichtert zudem die Einsatzfähigkeit. Die erforschte Detektortechnologie stellt somit eine wichtige Schlüsselkomponente der optischen Quantentechnologien dar.

    Talks and Seminars

    Upcoming

    Andreas Pfenning, Sebastian Krüger, Anne Schade, Fabian Hartmann, Sven Höfling:
    "Resonant tunneling diode photon number resolving single-photon detectors"
    SPIE Optics + Photonics 2019. San Diego, California, USA. Monday, August 12th, 2019.
    (Conference Talk)

    Past

    Andreas Pfenning, Fabian Hartmann, Lukas Worschech and Sven Höfling:
    "Resonant tunneling diode photodetectors: state of the art and future prospects"
    IV International Conference on Applications in Optics and Photonics - AOP 2019. Lisbon, Portugal. Saturday, June 1st, 2019.
    (Invited Talk)

    Fabian Hartmann, Andreas Pfenning, Georg Knebl, Anne Schade, Robert Weih, Andreas Bader, Manuel Meyer, Sebastian Krüger, Florian Rothmayr, Caroline Kistner, Johannes Koeth, Martin Kamp, Lukas Worschech, and Sven Höfling:
    "Mid-Infrared Photodetectors based on Resonant Tunneling Diodes and Interband Cascade Structures"
    IV International Conference on Applications in Optics and Photonics - AOP 2019. Lisbon, Portugal. Saturday, June 1st, 2019.
    (Invited Talk)

    Andreas Pfenning, Jonathan Jurkat, Fabian Hartmann, and Sven Höfling
    "Photon Number Resolving Resonant Tunneling Diode Single Photon Detectors"
    2nd International Symposium on “Single Photon based Quantum Technologies”. Berlin, Germany. May 22 - 24, 2019.
    (Post-Deadline Poster Contribution)

    Andreas Pfenning:
    "Single Photon Quantum Technologies: Technology challenges and application potential"
    Aktuelle Fragestellungen der Technischen Physik. Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Würzburg. Tuesday, April 30th 2019.
    (Seminar Talk)

    Publications

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