Superhurtig lyskilde lavet af kunstigt atom
Alle lyskilder virker på den måde, at de kan optage energi - for eksempel fra en elektrisk strøm - og udsende energien som lys. Men energien kan også blive tabt som varme, og det er derfor vigtigt, at lyskilderne udsender lyset så hurtigt som muligt, inden energien tabes. Superhurtige lyskilder kan for eksempel bruges i laserlys, LED-lys og enkelt-foton-lyskilder til kvanteteknologi. Nye forskningsresultater fra Niels Bohr Institutet viser, at lyskilder kan gøres meget hurtigere ved at bruge et princip, som blev forudsagt teoretisk i 1954. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.
Petru Tighineanu og Søren Stobbe i gruppens laboratorier på Niels Bohr Institutet i København.
Forskerne på Niels Bohr Institutet arbejder med kvantepunkter, som er en slags kunstige atomer, der kan indbygges i optiske chips. I et kvantepunkt kan en elektron anslås, for eksempel ved at lyse på det med en laser, og elektronen efterlader et ’hul’. Jo kraftigere vekselvirkning mellem lys og stof, jo hurtigere henfalder elektronen tilbage i hullet, og jo hurtigere udsendes lyset.
Men vekselvirkningen mellem lys og stof er fra naturens hånd meget svag, og det gør, at lyskilder er længe om at udsende lyset, og det kan reducere energieffektiviteten. Allerede i 1954 forudså fysikeren Robert Dicke, at vekselvirkningen mellem lys og atomer kunne forøges ved at have en række af atomer, som ’deler’ den anslåede tilstand i en kvantemekanisk superposition.
Lys forstærkes
I et kvantepunkt findes både negativt ladede elektroner og positivt ladede partikler, som er manglende elektroner (også kaldet huller). Tiltrækningen mellem elektron og hul giver en ny kvantetilstand med en meget stærk lys-stof vekselvirkning og tilsvarende hurtig lysudsendelse.
Mange har forsøgt at vise den effekt, men det er aldrig lykkedes, fordi atomerne enten kommer så tæt på hinanden, at de støder ind i hinanden, eller så langt væk, at effekten ikke virker. Forskerne på Niels Bohr Institutet har nu endelig vist effekten eksperimentelt, men i et helt andet fysisk system end Dicke havde i tankerne. De har nemlig vist denne såkaldte superradians for fotoner udsendt fra et enkelt kvantepunkt.
”Vi har udviklet et kvantepunkt, så det opfører sig, som om det bestod af fem kvantepunkter, og det betyder, at lyset bliver fem gange kraftigere. Det skyldes tiltrækningen mellem elektronen og hullet. Men det specielle er, at kvantepunktet stadig kun udsender én foton ad gangen. Det er en fremragende enkelt-foton-lyskilde”, fortæller Søren Stobbe, der er lektor i forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og har ledet projektet. Eksperimentet er udført i samarbejde med professor David Ritchie’s forskningsgruppe på University of Cambridge, som har fremstillet kvantepunkterne.
Petru Tighineanu, der er postdoc i forskningsgruppen, Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet har udført eksperimenterne, og han forklarer effekten på den måde, at atomer er meget små og lys er meget ’stort’ på grund af dets lange bølgelængde, så lyset kan nærmest ikke ’se’ atomerne – som en lastbil, der kører på en vej og ikke registrerer en lille småsten. Men hvis mange småsten bliver til èn større sten, vil lastbilen godt kunne registrere den, og så bliver vekselvirkningen meget mere dramatisk. På samme måde vekselvirker lys meget kraftigere med kvantepunktet, hvis kvantepunktet indeholder den særlige superradiante kvantetilstand, som gør, at det ser meget større ud.
Forøgelse af lys-stof vekselvirkningen
Eksperimenterne blev udført i gruppens laboratorier på Blegdamsvej i København.
”Den forstærkede lys-stof vekselvirkning gør kvantepunkterne mere robuste overfor de forstyrrelser, som findes i alle materialer, for eksempel akustiske svingninger. Der er med til at gøre fotonerne mere ensartede, og har stor betydning for, hvor store man kan bygge fremtidens kvantecomputere”, siger Søren Stobbe.
Han tilføjer, at det faktisk er temperaturen, som kun er nogle få grader over det absolutte nulpunkt, som sætter grænsen for, hvor hurtig lysudsendelsen kan blive i deres nuværende eksperimenter. På sigt vil de undersøge kvantepunkterne ved endnu lavere temperaturer, hvor effekterne kan blive meget dramatiske.
Søren Stobbe, lektor i Kvantefotonik gruppen, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 6065-6769, stobbe@nbi.ku.dk
Petru Tighineanu, postdoc i Kvantefotonik gruppen, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, petrut@nbi.ku.dk