COM forskergruppe udforsker kvanteoptikkens mysterier

tirsdag 20 sep 05
|
Som et led i Danmarks satsning på nanoteknologisk forskning går nu starten for et 3-årigt projekt, der skal finde ud af hvordan man videre kan kontrollere og manipulere udsendelsen af lys fra halvleder materialer. Dermed begiver COM DTU sig nu for alvor ud på den færd, der skal udforske nogle af kvanteoptikkens mysterier.

Lys er uregerligt. Det bevæger sig med 300.000 km per sekund, og når et atom udsender lys-kvanter så sker det i vidt tilfældig retninger og på vidt forskellige tidspunkter. For 18 år siden forudsagde en amerikansk forsker teoretisk, at udsendelse af lys kan kontrolleres ved hjælp af såkaldte fotoniske krystaller. Siden da har der verden over været et kapløb om at virkeliggøre hans udsagn. I 2004 gik profetien i opfyldelse, da et hollandsk forskerteam som de første viste at det ved hjælp af et gådefuldt kvantemekanisk fænomen, er muligt at kontrollere tid og retning af de fotoner, som udsendes. Lektor Peter Lodahl tog del i begivenheden, og det er nu ham, der skal lede det danske team på COM centret. ” Ved at fange lyset i små nano-bokse inden i de fotoniske krystaller kan vi komme til at eksperimentere med hidtil ukendte kvantemekaniske dynamikker”, forklarer Peter Lodahl.

 

Verdensomspændende indsats med vidtrækkende perspektiver

I dag er kvanteoptik et blomstrende internationalt forskningsfelt, og forskere verden over begynder at få øjnene op for de helt nye muligheder det giver. Eksempelvis byder kvanteinformationsteknologien allerede nu på fascinerende nye teknikker til at kode ubrydelige hemmelige budskaber vha. kvantekryptotografi eller teleportere kvantemekaniske tilstande (kvanteteleportation). Her udnyttes det, at kvantemekanisk information er fundamental anderledes end klassisk information. Forskningen med fotoniske krystaller lover også mere jordnære anvendelser såsom mere kompakte og effektive miniaturelasere eller de LED’er som man kender fra f.eks. DVD-afspillere og billedskærme. Kontrol over udsendelsen af lys vil sandsynligvis også være en mulig fremgangsmåde til at forbedre solceller. I traditionelle solceller sker der et energitab, fordi elektroner henfalder under udsendelse af lys. Med fotoniske krystaller bliver det muligt at undertrykke lys-udsendelsen og dermed øge effektiviteten af solcellen.

 

Fremtidens supercomputere

På meget lang sigt handler det om udvikling af kvantecomputere. Lige nu ligger konstruktionen af en kvantecomputer i en meget fjern fremtid. ”Men det forhindrer ikke os forskere i at drømme om hvad man vil kunne gøre med en sådan supercomputer. Fordi computeren ikke vil fungere ud fra den klassiske fysiks love, så vil den kunne udføre opgaver, som er alt for komplicerede for den computer vi kender nu”, fortæller Peter Lodahl. Og der er gode grunde til at tage den nye kvanteteknologi alvorligt. Nutidens kryptografi systemer, som f.eks. ligger til grund for sikkerheden på vores dankort, vil nemlig nemt kunne brydes af en kvantecomputer. Heldigvis har kvantefysikken også svaret på dette dilemma. Det viser sig, at et kvantekryptografisk system er fuldstændigt sikkert også overfor en kvantecomputer.

 

COM team vil tæmme udsendelsen af fotoner

Fotoniske krystaller, nano-bokse og kvanteøer er ikke den rene tågesnak. Bag ordene gemmer der sig for Peter Lodahl drømmen om at kunne forstå og drage nytte af et af kvanteoptikkens store mysterier: Vakuumfluktuationer.

Selv i et fuldstændigt tomt rum er der altid elektromagnetisk energi. Det er som en slags baggrundsstøj, der altid er der. I et rum uden fluktuationer ville et atom forblive anslået for evigt. Det er altså vakuumfluktuationerne, der påvirker atomerne til at udsende lys og det sker i vilkårlig retning. Udfordringen for Peter Lodahl og hans team går ud på at kunne tæmme dette gådefulde kvantemekaniske fænomen og udnytte det til at kontrollere udsendelsen og udbredelsen af lys. ”COM har med sin optiske og fabrikationsmæssige ekspertise, infrastruktur og laboratoriefaciliteter alt hvad hjertet kan begære når det gælder den videre eksperimentelle udforskning af kvanteoptik i fotoniske krystaller”, bedyrer Peter Lodahl.

 

Ordensbrydere

Teamet på COM eksperimenterer med at bryde ordenen i krystallens periodiske struktur, der kan bestå af f.eks. lufthuller i et materiale med højt brydningsindex (f.eks. GaAs). Forskerne introducerer en defekt i krystallen, f.eks. ved at udelade et lufthul i symmetrien som vist i illustration 1. Inde i denne defekt er placeret et kvantepunkt. Peter Lodahl uddyber:

”Et kvantepunkt er en slags syntetisk atom, der udsender lys ved bestemte bølgelængder.  Kvantepunkterne kan derfor bruges som mikroskopiske lyskilder inden i den fotoniske krystal. Defekten sætter grænsen for hvor langt lyset kan udbrede sig. Den fungerer lidt som en boks om lyskilden. Lyset fra kvantepunktet kan derfor ikke udbrede sig dybt ind i den periodiske struktur, men bliver reflekteret tilbage til defekten. På den måde kommer defekten til at virke som en resonant kavitet, og en sådan kan laves ekstremt lille. Rent faktisk så kan vi lokalisere lys på et område, der kun fylder brøkdele af 1 mm3. Det er derfor fænomenet kaldes for en nano-boks”.

 

Lyset fanges

Formålet med nano-boksene er at fastholde lyset omkring defekten, og dermed forstærke vekselvirkningen mellem lys og materiale. ”Ved at designe nano-bokse med optimeret kobling, håber vi at kunne studere den situation, hvor blot én foton er koblet kraftigt til ét enkelt kvantepunkt. I et sådant system vil foton og kvantepunkt være kvantemekanisk koblet, eller ’entangled’ som det hedder i fagsprog”, tilføjer Peter Lodahl.

 

Kvantebits, følsomme sensorer og miniature lasere

Det er Peter Lodahls håb, at den ny viden, der kommer ud af projektet, kan føre til en helt ny æra for halvleder optik og forfremme halvledere til værdige kandidater som kvantebits i kvantecomputere. ”De nye metoder og teknologier har flere lovende anvendelsesperspektiver. Defekt-kaviteter vil kunne fungere som uhyre følsomme sensorer, der kan måle meget små koncentrationer af f.eks. biologisk materiale. Og teknologien giver os også mulighed for at udvikle ultimativt kompakte og effektive miniature lasere, der er meget støjsvage og kan drives med ekstremt små tærskelstrømme”, siger Peter Lodahl.

 

Projektet er støttet af et 3-årigt ’Skou stipendium’ bevilliget af Forskningsstyrelsen gennem Forskningsrådet for Natur og Univers.