Egy, kettő, három - sok

Elisabeth Schlottmann és Marco Schmidt, mindketten Prof. Reitzenstein tudományos munkatársai a Berlini Műszaki Egyetemen, bemutatják a speciális fotonészlelő összetett felépítését. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

A legtöbb ember számára a fény ugyanúgy fény. Nem így a Stephan Reitzenstein munkacsoportjának fizikusai, a berlini Technikai Egyetem Szilárdtestfizikai Intézetéből. „Pontosan érdekel minket, hogy milyen folyamatok eredményeként bocsátódik ki a fény (azaz fotonok). Az úgynevezett fotonstatisztika, vagyis hogy egy adott fénycsomagban hány foton található, többek között megmutatja, hogy lézerfényről (úgynevezett koherens fényről) vagy normál, termikus fényről (úgynevezett inkohérens fényről) van-e szó. Erős fényforrások esetén a döntés a lézer koherens fénye és a termikus fény, például egy gyertya között általában nagyon egyszerű. Bonyolultabbá válik a helyzet gyenge fénycsomagok esetén, mint amilyeneket nanofotonikus fényforrások bocsátanak ki. A PTB-vel (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) közösen most publikált kutatási eredményekkel sikerült először kifejleszteni egy mérési eljárást, amely még extrém gyenge intenzitások esetén is pontosan méri a fotonok számát.

A normál fotodióda-detektoroknak nincs meg a szükséges érzékenységük ahhoz, hogy egyes fotonokat észrevegyenek, nemhogy a fénycsomagokban lévő pontos fotonszámot meghatározzák. Például nem tudnak megkülönböztetni egymillió vagy egymillió plusz egy foton között. Meglepő módon egyszerűbb a helyzet az egyfotonforrások esetén, amelyeket ún. kattintás-detektorokkal lehet jellemezni. Ezek tudják, hogy mindig csak egy fotont bocsátanak ki. „Eddig nyitott kérdés maradt az érdekes köztes tartomány, ahol mikrolaserek, gyenge fénycsomagok, körülbelül 1-től 40 fotonig tartó kibocsátás történik. Ezeket a speciális mikrolasereket Sven Höfling professzor csoportjával a Würzburgi Egyetemen fejlesztették ki” – vázolja Elisabeth Schlottmann, az AG Reitzenstein munkatársa, aki a kutatás témájával foglalkozik.

„Kiváló és hosszú távú együttműködésünknek köszönhetően a PTB Berlinnel közösen felépítettünk és használtunk egy megfelelő detektort, egy ún. Transition Edge Detektort” – mondja a kutató. A detektor-rendszert, amelyet a NIST (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet, USA) és a PTB fejlesztett ki, közvetlenül az abszolút nullpont felett, mindössze 100 millikelvines hőmérsékleten működtetik – ez nagyjából mínusz 273 Celsius-foknak felel meg. Ezáltal valóban lehetőség nyílik arra, hogy pontosan mérjük, egy fénycsomagban egy, két vagy több foton érkezik-e egyszerre. „Egy ilyen detektort nem lehet egyszerűen megvásárolni. Világszerte csak néhány ilyen rendszer létezik” – egészíti ki Stephan Reitzenstein.

„Ezzel a detektorral lényegesen mélyebb információkat kapunk egy fénycsomagról, mint általában. Bebizonyítottuk például, hogy két mikrolaser, amelyek a korábbi mérési módszerekkel látszólag ugyanazokat a tulajdonságokat mutatták, minden egyes pulzusnál különböző fotoneloszlást mutatnak. A fotonok száma pulzusonként egy bizonyos valószínűségi eloszlás szerint változik” – mondja Elisabeth Schlottmann. A pontos valószínűségi eloszlás alakjának meghatározásához a kutató sok millió mérést végzett egyes pulzusokkal, és minden alkalommal meghatározta a pontos fotonszámot. Az eredményekből egyfajta hisztogramot készített, amely alapján előrejelzéseket lehet tenni arra, hogy mekkora valószínűséggel bocsát ki egy adott mikrolaser egy adott pulzusban pontosan egy bizonyos számú fotont.

„A detektor azt is meg tudja különböztetni, hogy a fotonok chaotikus – azaz termikus – fényből származnak-e, vagy koherens eloszlásúak, amit lézerfénynél várunk. Ezzel pontosan meg tudjuk különböztetni a lézerfény és a termikus fény közötti fénycsomagokat még kvantum-állapotban is, az egyes fotonok szintjén. Érdekes módon a lézerfény és a termikus fény ugyanakkora teljesítményt nyújthat, de a fotonhisztogramjuk teljesen másképp néz ki” – mondja Elisabeth Schlottmann.

„Eddig ilyen típusú mérések mikrolaserek esetében nem léteztek. Ez egy érdekes eredmény minden elméleti kutató számára, aki megjósolta, hogy mikrolaserek esetében hogyan alakul a fotoneloszlás. Most először vizsgálhatjuk meg, hogy a jóslatok megfelelnek-e a valóságnak, vagy az elméleti modellek még finomhangolásra szorulnak” – mondja Stephan Reitzenstein, aki az eredményeket az ERC Consolidator Grants „EXQUISITE” nevű programjában érte el.

A foton-számeloszlás vizsgálata bimodális mikrolasereknél Transition Edge Szenzorral
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, és S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Foton-szám-azonos mérés egy exciton-polariton kondenzátorról
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, és C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Megjelent 2018. július 25.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401