Das Fraunhofer ENAS hat eine mehrjährige Erfahrung im Aufbau und der Optimierung von Quantum Dot LEDs (QD-LEDs) im sichtbaren und NIR-Spektralbereich. Reduziert man die Anzahl der kolloidalen Quantum Dots in der Emitterschicht bis auf einen einzigen Nanokristall, so lassen sich auf Basis der LEDs elektrisch angeregte Einzelphotonenquellen realisieren.
Einzelphotonenquellen (EPQ) besitzen ein großes Einsatzpotenzial in verschiedenen Bereichen der Quantentechnologie, darunter in der Quanten-Informationsverarbeitung, beispielsweise für eine sichere Verschlüsselung bei der Datenübertragung (Quantum Key Distribution). Daneben sind diese Lichtquellen aber auch für die Metrologie, beispielsweise für optische und spektroskopische Analysen interessant. Aufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften der EPQ unterliegen die emittierten Photonen einer anderen Statistik wie klassische Lichtquellen. Damit kann das Rauschen z. B. bei Absorptionsmessungen reduziert und die Empfindlichkeit wesentlich erhöht werden.
Im EU-geförderten Projekt GREENER entwickelt das Fraunhofer ENAS in Kooperation mit der TU Chemnitz und sechs weiteren Partnern aus Frankreich, Italien, Spanien und Deutschland ein neuartiges Spektrometer auf Basis von elektrisch angeregten QD-Einzelphotonenquellen (QD-EPQ) und optimierten Einzelphotonendetektoren. Ziel ist es, mittels NIR-Absorptionsspektroskopie geringste Konzentrationen von umweltschädlichen Stoffen, beispielsweise in Wasser, zu bestimmen.
Der Aufbau der kolloidalen QD-EPQ ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Schlüsselelement zum Aufbau der Quellen ist die nanometergenaue Positionierung einzelner Quantum Dots. Im Projekt wird dies mit Hilfe sogenannter DNA-Origamis erreicht. Ein DNA-Origami besteht aus einem DNA-Einzelstrang, der mit Hilfe kurzer Klammerstränge (Oligonucleotide) in eine beliebige 2D- und 3D-Geometrie gefaltet werden kann. Durch sogenannte „capture ends“, können einzelne QDs gezielt angebunden werden. Diese Hybride werden dann Lithographie-unterstützt mit Nanometer-Genauigkeit im Waferlevel-Maßstab abgelegt.
Diese Einzelphotonenquellen werden mit weiteren optischen Komponenten und einem Einzelphotonendetektor in ein kompaktes Spektrometer für mobile Analysen integriert. Eine entsprechende Elektronik und eine KI-basierte Datenverarbeitung komplettieren das Gerät. Einen Überblick über das Projekt und den Zielen gibt neben der Webseite auch ein Video.
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme