Fényrészecskék dupla csomagban

© TU Berlin

A kvantumpont - egyfajta mesterséges atom - egy kriosztátban van lehűtve, közel az abszolút nulla fokhoz. Egy lézer segítségével foton-ikrek keletkeznek, és egy mikroszkópobjektíven keresztül gyűjtik össze őket. (© Oana Popa/PR/TU Berlin)

Az Optoelektronika és Kvantumépítőelemek csoportjának fizikusa, Prof. Dr. Stephan Reitzenstein irányításával, egy újszerű kvantumfényforrást fejlesztettek ki, amely foton-ikreket állít elő / Megjelenés a Nature Communications-ben.

A kvantumfizika többek között azért olyan nehéz megérteni, mert a megfelelő kutatás általában egy mikrokoszmoszban játszódik, amely egyedi atomokból, elektronokból és fotonokból áll – tehát nem érzékelhető az emberi szem számára. Azóta azonban tudjuk, hogy a kvantumhatások hatással vannak a makrovilágra is. Kutatások szerint például az is ismert, hogy a béka szemének pálcikasejtjei, az úgynevezett pálcikasejtek, akár egyetlen fotont is képesek észlelni. Singapúri kutatók kimutatták, hogy még akkor is, ha a különböző fényfajták (azaz azonos számú foton időegységenként) fényerőssége ugyanaz, a pálcikasejtek különbséget tudnak tenni a klasszikus fény és a kvantumfény között. Ez teljesen új, interdiszciplináris alkalmazásokat tesz lehetővé kvantumfényforrások számára a kvantumbiológiában, amely a kvantumfizika és a biológia metszéspontja, bár ez egyelőre inkább sci-finek tűnik.

Míg a kvantumoptika területén eddig főként az alapkutatások folytak, az elmúlt években jelentős előrelépések történtek a nem klasszikus fényállapotok előállításában, és ezáltal az új alkalmazások felé is. A megfelelő kvantumfényforrások fejlesztése azonban továbbra is óriási kihívás: „Már az egypontos fényforrás gyártása – amely többek között a zárolásmentes adatátviteli rendszerek fejlesztéséhez szükséges – ma még csúcstechnológia” – írja Dr. Tobias Heindel, a Prof. Dr. Stephan Reitzenstein által vezetett csoport munkatársa a TU Berlin Optoelektronika és Kvantumépítőelemek tanszékén, a technológia állásáról.

Ennek a kutatócsoportnak most sikerült első alkalommal célzottan kvantumfényforrást előállítani félvezető kvantumpontok alapjain, amely párokat, azaz azonos fotonokat képes előállítani – úgynevezett foton-ikreket. Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma és további munkatársak Prof. Reitzenstein irányításával egy magas szintre optimalizált kvantumépítőelemet alkalmaztak. „Az elmúlt években a csoportban kifejlesztett egyedi, világszinten egyedülálló technikával, a 3D-s in-situ elektronnyaláb-lithográfiával egy mikrolencsét pontosan egy néhány nanométeres (1 nm egy millióad része egy milliméternek) kvantumpont fölé helyeznek. Ez a kvantumpont gyakorlatilag egy gombnyomásra képes fotonokat kibocsátani, amelyeket a speciális mikrolencse egy adott irányba irányít, így detektálhatók” – magyarázza Tobias Heindel. A speciális mérési módszerek segítségével a kutatók most egy eddig egyedülálló kvantumpontot izoláltak, amely képes iker-fotonokat kibocsátani. „A következő célunk egy olyan módszer kidolgozása, amellyel bármilyen kvantumpontból foton-ikreket lehet előállítani.” A kvantumépítőelemek gyártását a TU Berlin Nanofotonika Központjának kiváló infrastruktúrája tette lehetővé.

„Más kutatócsoportok már sikerrel állítottak elő iker-fotonokat természetes atomok vagy nemlineáris kristályok felhasználásával” – mondja Heindel. A berlini iker-fotonforrás nagy előnye azonban, hogy a fotonpárokat gyakorlatilag gombnyomásra lehet kibocsátani. A mikrolencsestruktúrával kombinálva így egy különösen fényes fotonforrást hoznak létre. „A megközelítésünk lehetővé teszi, hogy az előállított foton-ikrek számát ötszörösére növeljük” – számol be Heindel. A kibocsátott foton-ikrek közvetlen detektálásához a fizikusok a Berlin Fizikai és Műszaki Szövetséggel együttműködve egy rendkívül érzékeny, szupervezető detektort alkalmaztak, amely képes a fénycsomagban lévő fotonok számát mérni.

Az új kvantumfényforrás fejlesztése a 787-es Szilárdtest Nanofotonika Kutatóközpont és a BMBF VIP-„QSOURCE” projekt keretében történt. A kutatás eredményei a neves szaklap, a Nature Communications aktuális számában jelentek meg. *

* Heindel, T. et al. Egy fényes, kiváltott iker-fotonforrás szilárdtestben.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).