Světelné částice v dvojbalení

© TU Berlin

Kvantový bod – jakýsi umělý atom – je ochlazován v kryostatu na teplotu blízkou absolutní nule. Pomocí laseru jsou vytvářeni fotonoví dvojčata a zachycována mikroskopickou čočkou. (© Oana Popa/PR/TU Berlín)

Fyzici z AG Optoelektronik und Quantenbauelemente profesora Dr. Stephana Reitzensteina vyvíjejí nový kvantový zdroj světla pro vytváření fotonových dvojčat / publikace v Nature Communications.

Kvantová fyzika je mimo jiné tak obtížná k pochopení, protože příslušný výzkum se většinou odehrává v mikrosvětě složeném z jednotlivých atomů, elektronů a fotonů – tedy není hmatatelný lidským okem. Přitom je nyní známo, že kvantové efekty mají vliv i na makrosvět. Výzkum například ukazuje, že světločivné buňky z očí žáby, takzvané tyčinkové buňky, dokážou zaznamenat i jediný foton. Výzkumníci ze Singapuru dokázali prokázat, že i při stejné jasnosti různých typů světla (tedy při stejné počtu fotonů za jednotku času) tyčinkové buňky oka rozpoznají rozdíl mezi klasickým světlem a kvantovým světlem. To umožňuje zcela nové interdisciplinární aplikace kvantových zdrojů světla v kvantové biologii, což je průsečík kvantové fyziky a biologie, který však zatím zní spíše jako vědecká fikce.

Zatímco výzkum v oblasti kvantové optiky byl dosud převážně základem výzkumu, v posledních letech byly učiněny významné pokroky v generování nekonvenčního stavu světla a tím i směrem k novým aplikacím. Vývoj příslušných kvantových zdrojů světla však stále představuje obrovskou výzvu: „Už definovaná výroba jedno-fotonového zdroje – který by mohl být mimo jiné využit pro vývoj systémů pro odposlechově bezpečný přenos dat – je dnes ještě high-tech,“ popisuje Dr. Tobias Heindel, pracovník pracovní skupiny profesora Dr. Stephana Reitzensteina z katedry optoelektroniky a kvantových prvků na Technické univerzitě v Berlíně, současný stav techniky.

Tým výzkumníků této pracovní skupiny se nyní poprvé podařilo cíleně vyrobit kvantový zdroj světla na bázi polovodičových kvantových teček, který dokáže vytvářet páry identických fotonů – takzvané fotonové dvojčata. Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma a další pracovníci skupiny zde použili pod vedením profesora Reitzensteina vysoce optimalizovaný kvantový prvek. „V posledních letech zde ve skupině vyvinuli speciální, celosvětově unikátní techniku, 3D in-situ elektronovou litografii, při níž je mikrolíce přesně umístěna nad několika nanometry (1 nm odpovídá miliontině milimetru) velkou kvantovou tečkou. Tato kvantová tečka může prakticky na tlačítko emitovat fotony, které jsou díky speciální mikrolíci směrovány do určitého směru a tím detekovány,“ vysvětluje Tobias Heindel. Pomocí speciálních měřicích metod se výzkumníkům podařilo izolovat dosud unikátní kvantovou tečku, která je schopná emitovat dvojice fotonů. „Naším dalším cílem je vyvinout metodu, pomocí níž by každý kvantový bod mohl být přeměněn na zdroj fotonových dvojčat.“ Výroba těchto kvantových prvků byla umožněna díky vynikající infrastruktuře centra nanofotoniky na TU Berlín.

„I jiným pracovním skupinám se již podařilo generovat dvojice fotonů na bázi přirozených atomů nebo nelineárních krystalů,“ říká Heindel. Výhodou berlínského zdroje dvojitých fotonů na bázi kvantových teček je však to, že páry fotonů lze prakticky na tlačítko emitovat. Ve spojení s mikrolíciovou strukturou tak vzniká zvlášť jasný zdroj fotonů. „Náš přístup umožňuje zvýšit počet generovaných fotonových dvojčat z prvku pětkrát,“ uvádí Heindel. Aby bylo možné přímo detekovat emitované fotonové dvojice, využili fyzici ve spolupráci s Fyzikálně technickou federální institucí v Berlíně vysoce citlivý supraleitelný detektor, který dokáže detekovat počet fotonů v jednom světelném pulzu.

Práce na této novátorské kvantové světelném zdroji vznikly v rámci Sonderforschungsbereich 787 „Polovodiče – Nanofotonika“ a projektu BMBF VIP „QSOURCE“. Byly publikovány v aktuálním vydání renomovaného odborného časopisu Nature Communications. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).