Eén, twee, drie - velen

Elisabeth Schlottmann en Marco Schmidt, beide wetenschappelijk medewerkers van Prof. Reitzenstein aan de TU Berlijn, presenteren de complexe opbouw van de speciale fotonendetector. (© TU Berlijn/PR/Felix Noak)

Voor de meeste mensen is licht gelijk licht. Niet zo voor de fysici in de werkgroep van Stephan Reitzenstein, van het Instituut voor Vastestoffysica aan de TU Berlijn. "Ons interesseert heel precies, op basis van welke processen licht (dus fotonen) wordt uitgezonden. De zogenaamde fotonstatistiek, dus hoeveel fotonen er in een bepaalde lichtpuls zitten, geeft ons onder andere inzicht of het gaat om laserlicht (zogenaamd coherente licht) of gewoon, thermisch licht (zogenaamd incoherent licht). Bij sterke lichtbronnen is de keuze tussen het coherente licht van een laser en het thermische licht bijvoorbeeld van een kaars heel eenvoudig. Het wordt echter ingewikkelder bij zwakke lichtpulsen, zoals die worden uitgezonden door nanofotonische lichtbronnen. Met het nu gezamenlijk met het Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) gepubliceerde onderzoek is het voor het eerst gelukt een meetmethode te ontwikkelen die ook bij extreem zwakke intensiteiten de exacte hoeveelheid fotonen meet.

Normale fotodiode- detectors missen de benodigde gevoeligheid om individuele fotonen te detecteren, laat staan de exacte hoeveelheid fotonen in lichtpulsen te bepalen. Ze kunnen bijvoorbeeld niet onderscheid maken tussen een miljoen of een miljoen plus één foton. Het wordt verrassenderwijs weer iets eenvoudiger bij enkel-fotonenbronnen, die men kan karakteriseren met zogenaamde klikdetectors. Daar weet men dat deze altijd maar één foton uitzenden. "Tot nu toe bleef het interessante tussenliggende gebied, waarin microlasers, zwakke lichtpulsen van ongeveer 1 tot 40 fotonen uitzenden, onduidelijk. Deze speciale microlasers werden samen met collega’s uit de groep van Prof. Sven Höfling aan de Universiteit Würzburg ontwikkeld," schetst Elisabeth Schlottmann, medewerker in de AG Reitzenstein, de onderzoeksthematiek.

"Door onze zeer goede en langdurige samenwerking met de PTB Berlijn konden wij samen met de collega’s uit de groep van Dr. Jörn Beyer een bijpassende detector, een zogenaamde Transition Edge Sensor, opbouwen en gebruiken in onze laboratoria," aldus de wetenschapper. Het detectorsysteem, dat is ontwikkeld door het NIST (National Institute of Standards and Technology) in de VS en de PTB, wordt net boven het absolute nulpunt bedreven bij een temperatuur van slechts 100 millikelvin – dat komt overeen met ongeveer min 273 graden Celsius. Daarmee is het daadwerkelijk mogelijk precies te meten of er in een lichtpuls één, twee of meerdere fotonen tegelijk aankomen. "Zo’n detector kun je niet zomaar kopen. Wereldwijd zijn er slechts een handvol van zulke detectorsystemen.", voegt Stephan Reitzenstein toe.

"Met deze detector krijgen we veel diepgaandere informatie over een lichtpuls dan normaal mogelijk is. Zo konden we bewijzen dat twee microlasers, die met de tot nu toe gevestigde meetmethoden schijnbaar dezelfde eigenschappen vertoonden, bij elke puls een verschillende fotonverdeling laten zien. Daarbij beweegt het aantal fotonen per puls zich in een bepaalde waarschijnlijkheidsverdeling," aldus Elisabeth Schlottmann. Om de exacte vorm van de waarschijnlijkheidsverdeling te bepalen, deed de onderzoekster miljoenen metingen met individuele pulsen en bepaalde telkens het exacte aantal fotonen per puls. Van de resultaten maakte ze een soort histogram waarmee voorspellingen kunnen worden gedaan over de waarschijnlijkheid dat een bepaalde microlaser bij een bepaalde puls een precies bepaald aantal fotonen uitzendt.

"De detector onderscheidt ook of het bij de fotonen gaat om chaotisch – dus thermisch – licht of om een coherente verdeling van de fotonen, zoals men die bij laserlicht verwacht. Daarmee kunnen we een scherpe scheiding maken tussen laserlicht en thermisch licht, zelfs in het kwantumregime van individuele fotonen. Interessant is dat laserlicht en thermisch licht dezelfde kracht kunnen leveren, maar er in het fotonen-histogram heel anders uitzien," weet Elisabeth Schlottmann.

"Tot nu toe bestonden er geen dergelijke metingen voor microlasers. Dat is ook een interessant resultaat voor alle theoretici die voorspellingen hadden gedaan over hoe de fotonverdeling bij microlasers eruit zou moeten zien. We kunnen nu voor het eerst onderzoeken of de voorspelde verdeling overeenkomt met de realiteit, of dat de theoretici nog eens scherp moeten nadenken," zegt Stephan Reitzenstein, die de resultaten heeft behaald in het kader van zijn ERC Consolidator Grant "EXQUISITE".

Verkenning van de foton-aantalverdeling van bimodale microlasers met een Transition Edge Sensor
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, en S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Foton-aantal-Resolutie Meting van een Exciton-Polaritonencondensaat
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, en C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Gepubliceerd 25 juli 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401