Jedna, dvě, tři - mnoho

Elisabeth Schlottmann a Marco Schmidt, oba vědečtí pracovníci prof. Reitzensteina na TU Berlín, představují složitou konstrukci speciálního detektoru fotonů. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Pro většinu lidí je světlo stejné světlo. Ne tak pro fyziky v pracovní skupině Stephana Reitzensteina z Institutu pevných látek na TU Berlín. „Zajímá nás přesně, na základě jakých procesů je světlo (tedy fotony) emitováno. Takzvaná statistika fotonů, tedy kolik fotonů je obsaženo v určitém světelném pulsu, nám mimo jiné poskytuje informace o tom, zda se jedná o laserové světlo (takzvané koherentní světlo) nebo běžné, termické světlo (takzvané inkohärentní světlo). U silných zdrojů světla je rozhodnutí mezi koherentním světlem laseru a termickým světlem například svíčky velmi jednoduché. U slabých světelných pulzů, které vysílají nanophotonické zdroje světla, je to složitější. S nově publikovaným výzkumem ve spolupráci s Fyzikálně technickou spolkovou agenturou (PTB) se podařilo poprvé vyvinout měřicí metodu, která dokáže i při extrémně slabých intenzitách přesně změřit počet fotonů.

Normální fotodiodové detektory postrádají potřebnou citlivost k detekci jednotlivých fotonů, natož k určení přesného počtu fotonů v pulzu světla. Například nedokážou rozlišit mezi milionem a milionem plus jedním fotonem. Překvapivě je to jednodušší u jednotlivých fotonových zdrojů, které lze charakterizovat pomocí takzvaných klikových detektorů. Ty totiž vždy emitují pouze jeden foton. „Dosud zůstávala nezodpovězena zajímavá mezní oblast, ve které mikrolasery, slabé světelné pulzy o velikosti přibližně 1 až 40 fotonů, emitují. Tyto speciální mikrolasery byly vyvinuty ve spolupráci s kolegy z skupiny profesora Sven Höflinga na Univerzitě Würzburg,“ načrtla Elisabeth Schlottmann, spolupracovnice v AG Reitzenstein, která se výzkumnou tématikou zabývá.

„Na základě naší velmi dobré a dlouhodobé spolupráce s PTB v Berlíně jsme společně s kolegy ze skupiny Dr. Jörna Beyera mohli ve svých laboratořích vybudovat a využívat odpovídající detektor, takzvaný Transition Edge Sensor,“ uvedla vědkyně. Detektorový systém, který byl vyvinut Národním institutem standardů a technologií (NIST) v USA a PTB, je provozován těsně nad absolutní nulou při teplotě pouhých 100 milikelvinů – což odpovídá přibližně -273 °C. Díky tomu je skutečně možné přesně změřit, zda v pulzu světla přichází jeden, dva nebo více fotonů současně. „Takový detektor nelze jednoduše koupit. Po celém světě existuje jen hrstka takových detektorových systémů,“ doplnil Stephan Reitzenstein.

„S tímto detektorem získáváme podstatně hlubší informace o světelném pulzu, než je běžně možné. Díky tomu jsme mohli dokázat, že dva mikrolasery, které s dosud zavedenými metodami měření zdánlivě vykazovaly stejné vlastnosti, mají při každém pulzu odlišné rozložení fotonů. Počet fotonů na pulz se přitom pohybuje v určité pravděpodobnostní distribuci,“ vysvětlila Elisabeth Schlottmann. Aby určila přesnou podobu pravděpodobnostní distribuce, provedla vědkyně miliony měření s jednotlivými pulzy a vždy určila přesný počet fotonů na pulz. Z výsledků vytvořila jakýsi histogram, který umožňuje předpovědět, s jakou pravděpodobností určitý mikrolaser při daném pulzu emitují přesně určitý počet fotonů.

„Detektor také rozlišuje, zda se jedná o chaotické – tedy termické – světlo nebo o koherentní rozložení fotonů, jaké se očekává u laserového světla. Díky tomu můžeme přesně rozlišit pulzy světla mezi laserovým světlem a termickým světlem i v kvantovém režimu jednotlivých fotonů. Zajímavé je, že laserové a termické světlo mohou mít stejný výkon, ale v histogramu fotonů vypadají úplně jinak,“ vysvětlila Elisabeth Schlottmann.

„Takové měření mikrolaserů zatím neexistovalo. Je to také zajímavý výsledek pro všechny teoretiky, kteří předpovídali, jak by měla vypadat rozložení fotonů u mikrolaserů. Nyní můžeme poprvé zkoumat, zda předpovězené rozložení odpovídá realitě, nebo jestli je třeba teoretiky ještě důkladněji přezkoumat,“ řekl Stephan Reitzenstein, který výsledky získal v rámci své ERC Consolidator Grants „EXQUISITE“.

Prozkoumání rozložení počtu fotonů u bimodálních mikrolaserů pomocí Transition Edge Sensor
E. Schlottmann, M. von Helversen, H. A. M. Leymann, T. Lettau, F. Krüger, M. Schmidt, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Beyer, J. Wiersig, a S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Rozlišení měření počtu fotonů u exciton-polaronového kondenzátu
M. Klaas, E. Schlottmann, H. Flayac, F. P. Laussy, F. Gericke, M. Schmidt, M. v. Helversen, J. Beyer, S. Brodbeck, H. Suchomel, S. Höfling, S. Reitzenstein, a C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Publikováno 25. července 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401