Uno, dos, tres - muchos

Elisabeth Schlottmann y Marco Schmidt, ambos investigadores científicos del Prof. Reitzenstein en la TU Berlín, presentan la estructura compleja del detector de fotones especial. (© TU Berlín/PR/Felix Noak)

Para la mayoría de las personas, la luz es simplemente luz. Pero no para los físicos del grupo de trabajo de Stephan Reitzenstein, del Instituto de Física del Estado Sólido de la TU Berlín. «Nos interesa exactamente, a través de qué procesos se emite luz (es decir, fotones). La llamada estadística de fotones, es decir, cuántos fotones hay en un pulso de luz determinado, nos proporciona entre otras cosas información sobre si se trata de luz láser (llamada luz coherente) o luz térmica normal (llamada luz incoherente). Para fuentes de luz intensas, la decisión entre la luz coherente de un láser y la luz térmica, por ejemplo, de una vela, es muy sencilla. Se complica cuando se trata de pulsos de luz débiles, como los emitidos por fuentes de luz nanofotónicas. Con los trabajos de investigación publicados ahora en colaboración con la Oficina Federal de Metrología (PTB), por primera vez se ha logrado desarrollar un método de medición que también en intensidades extremadamente débiles mide con precisión el número de fotones.

A los detectores fotodiodo normales les falta la sensibilidad necesaria para detectar fotones individuales, y mucho menos para determinar el número exacto de fotones en pulsos de luz. Por ejemplo, no pueden distinguir entre un millón o un millón más un fotón. Sorprendentemente, vuelve a ser más sencillo con fuentes de fotones individuales, que se pueden caracterizar con detectores llamados de clics. Estos siempre emiten solo un fotón. «Hasta ahora, permanecía abierto el interesante rango intermedio, en el que microláseres y pulsos de luz débiles, de aproximadamente 1 a 40 fotones, emiten. Estos microláseres especiales fueron desarrollados junto con colegas del grupo del Prof. Sven Höfling en la Universidad de Würzburg», explica Elisabeth Schlottmann, colaboradora en el grupo de Reitzenstein, sobre la temática de la investigación.

«Gracias a nuestra excelente y larga colaboración con la PTB de Berlín, junto con los colegas del grupo del Dr. Jörn Beyer, pudimos montar y utilizar en nuestros laboratorios un detector correspondiente, llamado detector de frontera de transición», comenta la investigadora. El sistema de detectores, desarrollado por el NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) en EE. UU. y la PTB, funciona a apenas 100 milikelvin por encima del cero absoluto —lo que equivale aproximadamente a -273 grados Celsius. Esto hace posible medir con precisión si en un pulso de luz llegan uno, dos o más fotones simultáneamente. «No se puede comprar un detector así fácilmente. En todo el mundo solo hay un puñado de estos sistemas de detección», añade Stephan Reitzenstein.

«Con este detector, obtenemos información mucho más profunda sobre un pulso de luz de lo que normalmente sería posible. Así, pudimos demostrar que dos microláseres, que con los métodos de medición tradicionales parecían tener las mismas propiedades, en cada pulso muestran una distribución diferente de fotones. La cantidad de fotones por pulso se distribuye según una cierta probabilidad», explica Elisabeth Schlottmann. Para determinar la forma exacta de la distribución de probabilidad, la investigadora realizó millones de mediciones con pulsos individuales y determinó en cada caso el número exacto de fotones por pulso. A partir de los resultados, elaboró una especie de histograma que permite predecir con qué probabilidad un microláser determinado emitirá un número exacto de fotones en un pulso específico.

«El detector también puede distinguir si los fotones corresponden a luz caótica —es decir, térmica— o a una distribución coherente de fotones, como la que se espera en la luz láser. Esto nos permite separar claramente los pulsos de luz entre luz láser y luz térmica, incluso en el régimen cuántico de fotones individuales. Curiosamente, la luz láser y la luz térmica pueden tener la misma potencia, pero en el histograma de fotones se ven completamente diferentes», explica Elisabeth Schlottmann.

«Hasta ahora, no existían mediciones de este tipo para microláseres. Esto también es un resultado interesante para todos los teóricos que han hecho predicciones sobre cómo debería ser la distribución de fotones en estos microláseres. Ahora podemos investigar si la distribución prevista corresponde a la realidad o si los teóricos deben reconsiderar sus modelos», afirma Stephan Reitzenstein, quien obtuvo estos resultados en el marco de su ERC Consolidator Grant «EXQUISITE».

Explorando la distribución del número de fotones en microláseres bimodales con un sensor de frontera de transición
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, y S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Medición resolutiva del número de fotones en un condensado de excitón-polaritón
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, y C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 — Publicado el 25 de julio de 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401