Jedno, dwa, trzy - wiele

Elisabeth Schlottmann i Marco Schmidt, oboje pracownicy naukowi prof. Reitzensteina na TU Berlin, prezentują skomplikowaną budowę specjalnego detektora fotonów. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Dla większości ludzi światło to po prostu światło. Nie dla fizyków z grupy badawczej Stephana Reitzensteina, z Instytutu Fizyki Stałokrystalicznej na TU Berlin. „Interesuje nas dokładnie, na podstawie jakich procesów emitowane jest światło (czyli fotony). Tak zwana statystyka fotonów, czyli ile fotonów znajduje się w określonym impulsie świetlnym, dostarcza nam między innymi informacji, czy mamy do czynienia z laserowym światłem (tak zwanym koherentnym światłem), czy z normalnym, termicznym światłem (tak zwanym inkohärentnym światłem). Przy silnych źródłach światła decyzja między koherentnym światłem lasera a termicznym światłem, na przykład świecy, jest zazwyczaj bardzo prosta. Staje się to bardziej skomplikowane przy słabych impulsach świetlnych, takich jak emitowane przez nanofotonowe źródła światła. Dzięki wspólnie opublikowanym pracom badawczym, we współpracy z Fizyczno-Technicznym Federalnym Instytutem (PTB), udało się po raz pierwszy opracować metodę pomiarową, która nawet przy ekstremalnie słabych natężeniach mierzy dokładną liczbę fotonów.

Normalne detektory fotodiodowe nie mają wystarczliwej czułości, aby wykrywać pojedyncze fotony, nie mówiąc już o określeniu dokładnej liczby fotonów w impulsach świetlnych. Na przykład nie potrafią odróżnić miliona od miliona plus jeden foton. Co zaskakujące, jest to nieco łatwiejsze w przypadku źródeł pojedynczych fotonów, które można charakteryzować za pomocą tak zwanych detektorów kliknięć. Wiadomo, że te emitują zawsze tylko jeden foton. „Do tej pory pozostawał nieznany interesujący obszar pośredni, w którym mikrolasery, słabe impulsy świetlne od około 1 do 40 fotonów, emitują. Te specjalne mikrolasery zostały opracowane wspólnie z kolegami z grupy prof. Svena Höflinga na Uniwersytecie w Würzburgu” – opisuje Elisabeth Schlottmann, pracownica grupy Reitzensteina, temat badań.

„Dzięki naszej bardzo dobrej i wieloletniej współpracy z PTB Berlin mogliśmy wspólnie z kolegami z grupy dr. Jörna Beyera zbudować i wykorzystać w naszych laboratoriach odpowiedni detektor, tak zwany detektor przejściowego krawędziowego (Transition Edge Detector)”, mówi naukowiec. System detektorowy, opracowany przez NIST (National Institute of Standards and Technology) w USA oraz PTB, jest zasilany nieco powyżej absolutnego zera w temperaturze zaledwie 100 milikelwinów – co odpowiada około minus 273 stopniom Celsjusza. Dzięki temu możliwe jest dokładne pomiar, czy w impulsie świetlnym pojawia się jeden, dwa lub więcej fotonów jednocześnie. „Takiego detektora nie można po prostu kupić. Na świecie istnieje tylko kilka takich systemów detekcyjnych”, dodaje Stephan Reitzenstein.

„Dzięki temu detektorowi uzyskujemy znacznie głębsze informacje o impulsie świetlnym, niż zwykle możliwe. Udało nam się udowodnić, że dwa mikrolasery, które przy użyciu dotychczasowych metod pomiarowych wydawały się mieć te same właściwości, przy każdym impulsie wykazują inną rozkład fotonów. Liczba fotonów na impulsie podlega określonemu rozkładowi prawdopodobieństwa”, wyjaśnia Elisabeth Schlottmann. Aby ustalić dokładny kształt rozkładu prawdopodobieństwa, badaczka wykonała miliony pomiarów pojedynczych impulsów i za każdym razem określiła dokładną liczbę fotonów na impuls. Na podstawie wyników stworzyła rodzaj histogramu, który pozwala przewidzieć, z jakim prawdopodobieństwem dany mikrolaser wyemituje określoną liczbę fotonów w danym impulsie.

„Detektor rozróżnia także, czy fotony pochodzą z chaotycznego – czyli termicznego – światła, czy z koherentnego rozkładu fotonów, jakiego można oczekiwać od światła laserowego. Dzięki temu możemy dokładnie rozróżnić impulsy świetlne pomiędzy światłem laserowym a światłem termicznym, nawet w kwantowym zakresie pojedynczych fotonów. Co ciekawe, światło laserowe i termiczne mogą mieć taką samą moc, ale w histogramie fotonów wyglądają zupełnie inaczej”, mówi Elisabeth Schlottmann.

„Takie pomiary mikrolaserów jeszcze nie istniały. To także interesujący wynik dla wszystkich teoretyków, którzy przewidywali, jak powinna wyglądać rozkład fotonów w mikrolaserach. Teraz możemy po raz pierwszy zbadać, czy prognozowany rozkład odpowiada rzeczywistości, czy też teoretycy muszą jeszcze raz przemyśleć swoje założenia”, mówi Stephan Reitzenstein, który uzyskał te wyniki w ramach swojego grantu ERC Consolidator „EXQUISITE”.

Eksploracja rozkładu liczby fotonów w bimodalnych mikrolaserach za pomocą czujnika przejściowego krawędziowego
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, oraz S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Pomiar rozkładu liczby fotonów w kondensacie egziton-polaritonów
M. Klaas, E. Schlottmann, H. Flayac, F. P. Laussy, F. Gericke, M. Schmidt, M. von Helversen, J. Beyer, S. Brodbeck, H. Suchomel, S. Höfling, S. Reitzenstein, oraz C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – opublikowano 25 lipca 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401