Создан сверхскоростной источник света на базе одного "искусственного атома"

Все источники света работают, абсорбируя энергию одного вида, к примеру, энергию электрического тока, и испуская фотоны света. Если задержка между моментом поглощения энергии из внешнего источника и моментом излучения фотона света достаточно велика, то часть поглощенной энергии преобразовывается в паразитное тепло. Таким образом, для создания новых высокоэффективных твердотельных лазеров, светодиодов и источников единичных фотонов для квантовых технологий требуется увеличение скорости преобразования энергии в источнике света. И исследователи из института Нильса Бора продемонстрировали, что увеличения быстродействия источника света можно добиться при помощи метода, описанного в теории в 1954 году.

Вышеупомянутые исследователи работали с так называемыми квантовыми точками, которые представляют собой аналог искусственного атома и которые могут быть включены в состав оптических или оптоэлектронных чипов. Электрон квантовой точки может быть переведен на более высокий энергетический уровень при помощи света лазера. Такой возбужденный электрон покидает свое место, оставляя за собой электронную дырку в структуре материала. Через некоторое время "блудный" электрон возвращается на свое место, заполняет дырку и сбрасывает излишки энергии в виде фотона света.

Однако, естественное взаимодействие между светом и материей достаточно слабо и это делает подобные источники света очень медленными и малоэффективными. Но в 1954 году физик Роберт Дикке (Robert Dicke) указал на то, что усилить глубину взаимодействия между светом и материей можно путем использования множества возбужденных атомов, которые находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Однако, практическая реализация этого эффекта является очень сложным делом, атомы должны одновременно быть очень близки друг к другу, но не касаться друг друга при этом, иначе происходит нарушение хрупкого разделяемого этими атомами состояния суперпозиции.

Исследователи из института Нильса Бора впервые продемонстрировали эффект Роберта Дикке, использовав для этого совершенно иную, нежели подразумевается в теории, физическую систему. Этот эффект получил название "суперизлучение" (superradiance), а заключается он в фотонах света, излучаемых единственной квантовой точкой.

"При содействии коллег из Кембриджского университета мы разработали такую квантовую точку, которая ведет себя так, словно она состоит из пяти отдельных квантовых точек меньшего размера. Это означает, что квантовая точка излучает в пять раз больше света, нежели простая квантовая точка. Такое увеличение интенсивности следует из искусственного увеличения притяжения между электроном и электронной дыркой. И что самое интересное, за один цикл такая точка излучает один фотон света, но делает это с очень большой скоростью" - рассказывает Сырен Стобб (Soren Stobbe), профессор из института Нильса Бора.

В настоящее время во время экспериментов ученые использовали температуру, на несколько градусов превышающую температуру абсолютного нуля. А в ближайшем будущем ученые планируют охладить квантовые точки еще до более низкой температуры, что позволит уменьшить влияние температурных колебаний атомов и увеличить глубину квантовых эффектов. Все это, в свою очередь, позволит получать фотоны света с более однородными характеристиками, и на основе таких источников света можно будет начинать строить настоящие квантовые компьютеры.

Источник: phys.org

Комментарии: