Američtí a japonští fyzici vymysleli způsob, jak vysílat jednotlivé fotony při pokojové teplotě a na vlnových délkách, které jsou použitelné v telekomunikacích. K jednofotonové emisi došlo, když laserem ozařovali uhlíkové nanotrubice, které měly speciální defekty. Jejich výzkum by mohl přispět k rozvoji kvantových technologií.
Jednofotonová emise je klíčovou složkou řady kvantových technologií, zvláště pak kvantových komunikací. Pokud je bit informace zakódován do laserového pulzu, který obsahuje velké množství fotonů – tak jak se to v současnosti běžně dělá – mohou se informace zmocnit hackeři tím způsobem, že některý z těchto fotonů prostě „ukradnou“. Nebezpečí by bylo možné odstranit zúžením pulzu až na jeden foton, ale tento způsob problém dokonale neřeší, protože laser může emitovat dva fotony najednou.
Další aplikace, které by mohly využívat zdroje o jednom fotonu, jsou spojeny s kvantovým počítáním, kde fotony mohou hrát roli kvantového bitu. Z takového zdroje by mohla profitovat i kvantová metrologie, protože poměr signálu k šumu by nebyl omezen „shot-noise“ limitem. Jde o kvantový šumový efekt, který je vázaný na vzájemnou nezávislost fotonů a elektronů a je roven druhé odmocnině intenzity laserového záření.
Ideálním zdrojem jednotlivých fotonů jsou jednotlivé atomy. Může jít o dvouhladinový kvantově-mechanický systém. Ten emituje jeden foton pouze tehdy, když laserový pulz excituje jeden elektron, který se vrací zpět do základního stavu. Kvantová tečka se řadí mezi technologie, které byly vyvinuty, aby tento proces napodobily. Jde o malý kousek polovodiče, který může emitovat jednotlivé fotony využitím struktury diskrétních elektronových stavů, jež se podobá atomu.
Přibližně před patnácti lety fyzici ukázali, že kvantová tečka z indium arsenidu může emitovat jednotlivé fotony na telekomunikačních frekvencích 1,3 – 1,5 mikrometrů. Takové zařízení však musí pracovat při kryogenních teplotách kolem 4 K, a tak je v praxi nevyužitelné. Naproti tomu dusíkové vakance v diamantu dokáží jednotlivé fotony generovat při pokojové teplotě, problémem však je, že to jde pouze v oblasti viditelného světla.
Fyzici z Los Alamos ve svém nejnovějším výzkumu ozařovali laserem uhlíkové nanotrubice. Jde o svinuté jednoatomové vrstvy uhlíku, které však nemají potřebnou strukturu energetických hladin. Fyzici tento problém vyřešili tak, že použili trubice se speciálními defekty. Použitím laseru generovali páry elektron-díra (excitony) a pak v defektu na povrchu nanotrubice jeden exciton zachytili. Posléze se elektron z excitonu vrátil do základního stavu a emitoval přitom foton.
Tento postup jako první v roce 2008 popsali curyšští fyzici. Jejich práce využívá velmi malých poklesů elektrického potenciálu na povrchu uhlíkových nanotrubic. Poklesy jsou důsledkem změn v okolí trubic, pokud ty jsou uloženy v kapalné suspenzi a pak rozptýleny na substrát. Pokles potenciálu je však velmi malý, pouhých několik milielektronvoltů. To je daleko méně než tepelná energie excitonu při pokojové teplotě. Tento způsob by vyžadoval chlazení nanotrubic na 4 K. Aby bylo možno pracovat při pokojové teplotě, fyzici posléze přidali defekty, které vytváří mnohem hlubší potenciálové jámy. Poprvé to zkusili před dvěma roky, kdy zavedli kyslíkové defekty o hloubce až 300 meV. Přestože však byli schopni generovat jednotlivé fotony při pokojové teplotě, emise byla nestálá, objevovalo se blikání a nebylo možno přesně nastavit frekvenci vhodnou pro telekomunikace.
Američtí a japonští fyzici se proto teď obrátili k molekulám podobným benzenu. Ty představují kruh šesti párů uhlík-vodík a pokud jsou kovalentní vazbou připojeny k nanotrubici, tvoří 130 – 300 meV hlubokou potenciálovou jámu. Změnou průměru může být nanotrubice s kruhem molekul upravena tak, že emituje na třech vlnových délkách v telekomunikačním pásmu od 1,15 do 1,6 mikrometru. Modifikované nanotrubice mohou generovat jednotlivé fotony stabilně při pokojové teplotě na frekvencích nižších než 1,5 mikrometru.
Nová metoda má podle fyziků reálnou šanci na praktické využití. Vědci současně prověřují také jiné technologie včetně nových 2D materiálů. Zatím není jasné, který materiál zvítězí.
Původní práce byla uveřejněna v Nature Photonics.
Mohlo by vás zajímat:
Spintronické
neurony rozeznávají řeč
Fyzici
rozvinuli herkulánské svitky
Mravenčí
fyzika
Satelity
pomáhají předpovídat sopečné erupce