Lichtdeeltjes in een dubbelpack

© TU Berlin

De kwantumdot - een soort kunstmatig atoom - wordt in een cryostaat gekoeld tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. Door een laser worden fotonen-tweelingen gegenereerd en met een microscoopobjectief opgevangen. (© Oana Popa/PR/TU Berlijn)

Fysici van de AG Opto-elektronica en Quantumbouwcomponenten van Prof. Dr. Stephan Reitzenstein ontwikkelen een nieuwe quantumlichtbron voor het genereren van fotonen-tweelingen / Publicatie in Nature Communications.

De quantumfysica is onder andere daarom zo moeilijk te begrijpen, omdat het onderzoek meestal plaatsvindt in een microscopisch universum van individuele atomen, elektronen en fotonen – dus niet tastbaar voor het menselijke oog. Inmiddels is echter bekend dat kwantumeffecten ook invloed hebben op de macroscopische wereld. Zo is uit onderzoek gebleken dat staafjes in de ogen van een kikker, de zogenaamde staafjes, zelfs al één enkel photon kunnen registreren. Onderzoekers uit Singapore konden aantonen dat, zelfs bij gelijke helderheid van verschillende lichtbronnen (dus hetzelfde aantal fotonen per tijdseenheid), de staafjes in het oog een verschil registreren tussen klassiek licht en kwantumlicht. Dit opent de deur naar geheel nieuwe interdisciplinaire toepassingen voor kwantumlichtbronnen in de kwantumbiologie, het snijvlak tussen quantumfysica en biologie, die voorlopig nog als sciencefiction klinken.

Terwijl het onderzoek op het gebied van quantumoptica tot nu toe vooral in de fundamentele wetenschap plaatsvond, zijn er in de afgelopen jaren ook aanzienlijke vorderingen gemaakt in het genereren van niet-klassieke lichttoestanden en daarmee in de richting van nieuwe toepassingen. De ontwikkeling van de betreffende kwantumlichtbronnen blijft echter een enorme uitdaging: “Het produceren van een één-fotonenbron – die onder andere gebruikt zou kunnen worden voor de ontwikkeling van systemen voor betrouwbare datatransmissie – is vandaag de dag nog hightech,” beschrijft Dr. Tobias Heindel, medewerker van de werkgroep van Prof. Dr. Stephan Reitzenstein aan de Fachgebiet Opto-elektronica en Quantumbouwcomponenten aan de TU Berlijn, de stand van de techniek.

Het onderzoeksteam van deze werkgroep is er nu voor het eerst in geslaagd om gericht een kwantumlichtbron te produceren op basis van halfgeleider-quantumpunten, die paren identieke fotonen kan genereren – zogenaamde fotonen-tweelingen. Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma en andere medewerkers van de werkgroep zetten hiervoor onder leiding van professor Reitzenstein een hooggeoptimaliseerd quantumbouwcomponent in. “De afgelopen jaren heeft de werkgroep een speciale, wereldwijd unieke techniek ontwikkeld, de 3D-in-situ elektronenstrahllithografie, waarbij een microlens precies boven een paar nanometer (1 nm is een miljoenste millimeter) grote quantumdot wordt gepositioneerd. Deze quantumdot kan quasi op een knop fotonen uitzenden, die door de speciale microlens in een bepaalde richting worden geleid en daardoor kunnen worden gedetecteerd,” legt Tobias Heindel uit. Met behulp van speciale meetmethoden konden de onderzoekers nu een tot nu toe uniek quantumdot isoleren dat in staat is om tweeling-fotonen uit te zenden. “Ons volgende doel is het ontwikkelen van een methode waarmee elke willekeurige quantumdot kan worden omgezet in een lichtbron van fotonen-tweelingen.” De productie van deze quantumbouwcomponenten werd mogelijk gemaakt door de uitstekende infrastructuur van het Centrum voor Nanofotoniek aan de TU Berlijn.

“Ook andere werkgroepen zijn er al in geslaagd om tweeling-fotonen te genereren op basis van natuurlijke atomen of niet-lineaire kristallen,” aldus Heindel. Het grote voordeel van de Berlijnse tweelingfotonenbron op basis van quantumdots is echter dat de fotonenparen quasi op een knop kunnen worden uitgezonden. In combinatie met de microlensstructuur wordt zo een bijzonder heldere fotonenbron gecreëerd. “Onze aanpak maakt het mogelijk om het aantal gegenereerde fotonen-tweelingen uit het apparaat met een factor vijf te verhogen,” meldt Heindel. Om de uitgezonden fotonen-tweelingen direct te detecteren, maakten de natuurkundigen in samenwerking met het Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berlijn gebruik van een hooggevoelige supergeleiderdetector, die het aantal fotonen in een lichtpuls kan tellen.

Het werk aan deze nieuwe kwantumlichtbron is ontstaan binnen het kader van de Sonderforschungsbereich 787 “Halfgeleider - Nanofotoniek” en het BMBF VIP-project “QSOURCE”. Ze werden gepubliceerd in de huidige uitgave van het gerenommeerde vakblad Nature Communications. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).