Új alkalmazások a mikrolézer számára a kvantum-nanophotonikában

Sémaatikus ábra a kísérletről: Az elektromosan pulzált mikrolámpa fénye (balra) egy üvegszálon keresztül jut el az egyfotonforráshoz (jobbra). Ott egyes fotonokat hoz létre, amelyeket egy polarizációs szűrő segítségével pontosan el kell választani a lézerfénytől. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

A mikro- és nanolaser körüli tudomány világszerte felhajtást vált ki. Általában a kutatók elsősorban ezeknek a lézereknek az alapvető fizikai tulajdonságaival foglalkoznak. Az, hogy ezeknek az extrém kicsi lézereknek milyen esetleges hasznos alkalmazásai lehetnek a jövőben, még nem világos. „Az a tény, hogy még nincs vagy alig vannak alkalmazási lehetőségek mikro-lézerek esetében, többek között azzal magyarázható, hogy csak nagyon gyenge optikai teljesítményt bocsátanak ki,” magyarázza Prof. Dr. Stephan Reitzenstein a „Optoelektronika és Kvantumeszközök” szakterületről a Berlini Műszaki Egyetem Szilárdtestfizikai Intézetéből. „Érdekes lehet azonban olyan alkalmazások is, ahol csak nagyon kevés fényre van szükség. Pont ez a helyzet például az egyfotonforrás működtetésénél.” A Stephan Reitzenstein által vezetett kutatócsoportnak sikerült első alkalommal, az ERC Consolidator Grant támogatásával bizonyítania, hogy egy mikro-lézert fel lehet használni egy egyfotonforrás gerjesztésére, fotonokat kibocsátva. „Nem utolsósorban így két fizikai közösséget is össze tudtunk kapcsolni: egyrészt a mikro-lézerek, másrészt az egyfotonforrások körüli tudományt.”

Ennek az kísérletnek az egyik fő célja többek között a mikro-lézerek alkalmazása a hallgatásmentes kvantumkommunikációban. A most publikált munkában a mikro-lézert és az egyfotonforrást két külön szobában helyezték el – mindkettőt külön-külön kriosztátban, néhány tíz Kelvin hőmérsékleten – és egy üvegkábelen keresztül kapcsolták össze egymással. „Ezt a „proof of principle” után a következő lépésben az a cél, hogy mindkét komponenst „on chip” integráljuk. Vagyis a mikro-lézert és az egyfotonforrást ne külön szobában, hanem ugyanazon, néhány mikrométeres méretű chipterületen helyezzük el,” mondja Reitzenstein.

Ennek az kísérletnek a kihívása többek között az volt, hogy egyértelműen bizonyítsuk, hogy a kimeneten mért fotonok valóban az egyfotonforrásból származnak – és nem például a mikro-lézerből. Általában egy kvantumpont (egyfotonforrás) egy adott hullámhosszon bocsát ki – például 830 nanométeren, míg a lézer más hullámhosszon – például 700 nanométeren. Ebben az esetben a fotonok megkülönböztetése viszonylag egyszerű. „Nekünk azonban a kvantumpontnak és a mikro-lézernek pontosan ugyanazon a hullámhosszon kell kibocsátaniuk,” írja Reitzenstein. „A probléma az, hogy a mikro-lézer körülbelül egymilliószor több fotont küld ki, mint a kvantumpont. Ezért döntő, hogy igazoljuk, a kísérlet végén mért fotonok valóban a kvantumpontból származnak, és nem a lézerből,” részletezi. Ennek érdekében a doktorandusa, Sören Kreinberg egy speciális optikai felépítést fejlesztett ki, amellyel sikerült a fotonokat polarizációjuk szerint elkülöníteni. A lézerfény például horizontális polarizációjú. Ez a fény gerjeszti a kvantumpontot. Ezzel szemben a kvantumpont többek között vertikális polarizációjú fotonokat is kibocsát. „Ezt a szűrőt, amely csak vertikális polarizációjú fotonokat enged át, a kvantumpont mögött kapcsoljuk be. Így egyértelműen bizonyítani tudjuk, hogy a detektált fotonoknak a kvantumpontból kell származniuk.”

Egy másik fontos kihívás az volt, hogy megtaláljuk azokat a mikro-lézereket, amelyeket a Prof. Sven Höfling által vezetett munkacsoporttal a Würzburgi Egyetemen fejlesztettek és gyártottak, és amelyek állandó, pontos hullámhosszon működnek, valamint a hozzájuk illeszkedő egyfotonforrást. „Egy normál lézertől eltérően egy mikro-lézernek nincs olyan „kerék”, amellyel a hullámhosszt beállítanánk. Minden mikro-lézer egy adott hullámhosszon bocsát ki fényt, amely példányonként akár tíz nanométerrel is eltérhet. Nekünk azonban olyan lézert kell találnunk, amely 100%-ban pontosan ugyanazon a hullámhosszon működik, mint az egyfotonforrásunk. Ehhez a munkatársaim, Kreinberg és Tomislav Grbešić több száz mikro-lézert teszteltek és elemeztek,” mondja Reitzenstein. Azért kell ilyen pontosan összehangolni a mikro-lézert és az egyfotonforrást, mert a kvantumkommunikációs alkalmazás miatt ez elengedhetetlen: „Amikor a kvantumpontot különböző hullámhosszú fény gerjeszti, akkor is kibocsát fotonokat, de azok tulajdonságai kissé eltérhetnek egymástól. Ezek nem lennének alkalmasak potenciális kvantumkommunikációra.”

Kvantom-optikai spektroszkópia egy két szintű rendszerrel, elektromosan működtetett mikropillér lézert felhasználva rezonáns gerjesztéshez
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte és Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7,doi: 10.1038/s41377-018-0045-6