Lichtteilchen im Dunkeln gehalten

Exzitonen – gebundene Paare aus Elektron und Elektronenfehlstelle – sind Quasiteilchen, die in Festkörpern entstehen können. Während sogenannte „helle“ Exzitonen Licht emittieren und daher zugänglich sind, sind dunkle Exzitonen optisch inaktiv. Dadurch besitzen sie eine deutlich längere Lebensdauer – was sie ideal für die Speicherung und Kontrolle von Quantenzuständen und für fortgeschrittene Methoden zu Erzeugung von Verschränkung macht.

Die Arbeitsgruppe um Gregor Weihs am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun gemeinsam mit Forscher:innen in Dortmund, Bayreuth und Linz eine vielseitig einsetzbare Methode demonstriert, mit der dunkle Exzitonen in Halbleiter-Quantenpunkten kontrolliert werden können. „Mit modulierten Laserpulsen und einem Magnetfeld können wir den Spin-Zustand dieser Exzitonen gezielt manipulieren und helle in dunkle Exzitonen verwandeln. Dieser Prozess können wir auch umkehren und aus dunklen wieder helle Exzitonen machen“, erklären Florian Kappe und René Schwarz, Erstautoren der Studie. „Auf diese Weise lässt sich dieser Zustand über längere Zeit quasi im Dunkel halten und später wieder aktivieren.“

Im Experiment an der Universität Innsbruck konnten die Wissenschaftler zeigen, wie ein Exziton in einem Dunkelzustand gespeichert und durch einen weiteren Laserpuls wieder in einen hellen Zustand umgewandelt wurde. „Dies eröffnet uns neue Möglichkeiten für die Kontrolle von Quantenspeichern und die Erzeugung verschränkter Photonenpaare in Quantenpunkten“, sagt der Leiter der Forschungsgruppe, Gregor Weihs.

Die Forschungsarbeit ist kürzlich in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen und wurde unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Publikation: Keeping the photon in the dark: Enabling quantum dot dark state control by chirped pulses and magnetic fields. Florian Kappe, René Schwarz, Yusuf Karli, Thomas Bracht, Vollrath M. Axt, Armando Rastelli, Vikas Remesh, Doris E. Reiter, Gregor Weihs. Sci. Adv. 11, eadu4261 (2025) DOI: 10.1126/sciadv.adu4261