Abschlussbericht zum Teilvorhaben: Optimierte Quellen und SU(1,1) Inteferometrie für ETPA; im Verbundprojekt: Exploiting entangled two-photon absorption (E²TPA)

Abstract

Dieses Projekt untersuchte die experimentelle Realisierung der verschränkten Zweiphotonenabsorption (ETPA) mit molekularen Absorbern, einer Methode zur präzisen, lichtschonenden Spektroskopie. ETPA nutzt verschränktes Quantenlicht, um molekulare Übergänge effizienter zu adressieren als klassisches Licht – besonders vorteilhaft bei lichtempfindlichen Proben wie Zellen.

Zur Umsetzung wurden helle Photonenpaarquellen in periodisch gepoltem Lithiumniobat entwickelt. Eine nicht-degenerierte Typ-II-Quelle ermöglichte die Unterscheidung von Signal- und Idler-Photonen, was neue Messmodi erlaubt. Die Quelle erreichte eine Bandbreite von bis zu 7,5 THz, ist jedoch bei hohen Leistungen durch Photorefraktion begrenzt.

Ein neuartiges gefaltetes SU(1,1)-Interferometer wurde aufgebaut, um die Interferenz von Photonenpaaren mit hoher Sichtbarkeit zu messen. Die Korrelationszeit der Paare lag bei unter 100 fs, was mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Zudem wurde eine Methode zur Selbstkalibration des Spektrometers etabliert.

Bei der systematischen Analyse verschiedener Messverfahren (u. a. „nicht-degenerierte Trennung“) konnte kein signifikantes ETPA-Signal nachgewiesen werden. Ein ab-initio-Modell bestätigte, dass die derzeitigen technischen Grenzen – insbesondere die Dunkelzählrate von Detektoren und Materialverluste – den Quantenvorteil verdecken.

Trotzdem liefert das Projekt einen entscheidenden Beitrag: Es klärt, dass ETPA zwar ein vielversprechendes Konzept ist, aber erst mit verbesserten Quellen, stabileren Materialien und besseren Detektoren praktisch nutzbar wird. Die Ergebnisse stärken die Forschungsposition Deutschlands in der Quantenspektroskopie und legen die Grundlage für zukünftige Entwicklungen.