Aktualita z fyziky: Fotony pro telekomunikace

Aktualita z fyziky: Fotony pro telekomunikace

Fyzika / článek

AmeriÄŤtĂ­ a japonštĂ­ fyzici vymysleli zpĹŻsob, jak vysĂ­lat jednotlivĂ© fotony pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ› a na vlnovĂ˝ch dĂ©lkách, kterĂ© jsou pouĹľitelnĂ© v telekomunikacĂ­ch. K jednofotonovĂ© emisi došlo, kdyĹľ laserem ozaĹ™ovali uhlĂ­kovĂ© nanotrubice, kterĂ© mÄ›ly speciálnĂ­ defekty. Jejich vĂ˝zkum by mohl pĹ™ispÄ›t k rozvoji kvantovĂ˝ch technologiĂ­.

Jednofotonová emise je klĂ­ÄŤovou sloĹľkou Ĺ™ady kvantovĂ˝ch technologiĂ­, zvláštÄ› pak kvantovĂ˝ch komunikacĂ­. Pokud je bit informace zakĂłdován do laserovĂ©ho pulzu, kterĂ˝ obsahuje velkĂ© mnoĹľstvĂ­ fotonĹŻ – tak jak se to v souÄŤasnosti běžnÄ› dÄ›lá – mohou se informace zmocnit hackeĹ™i tĂ­m zpĹŻsobem, Ĺľe nÄ›kterĂ˝ z tÄ›chto fotonĹŻ prostÄ› „ukradnou“. NebezpeÄŤĂ­ by bylo moĹľnĂ© odstranit zúženĂ­m pulzu aĹľ na jeden foton, ale tento zpĹŻsob problĂ©m dokonale neĹ™eší, protoĹľe laser mĹŻĹľe emitovat dva fotony najednou.

Další aplikace, kterĂ© by mohly využívat zdroje o jednom fotonu, jsou spojeny s kvantovĂ˝m poÄŤĂ­tánĂ­m, kde fotony mohou hrát roli kvantovĂ©ho bitu. Z takovĂ©ho zdroje by mohla profitovat i kvantová metrologie, protoĹľe pomÄ›r signálu k Ĺˇumu by nebyl omezen „shot-noise“ limitem. Jde o kvantovĂ˝ šumovĂ˝ efekt, kterĂ˝ je vázanĂ˝ na vzájemnou nezávislost fotonĹŻ a elektronĹŻ a je roven druhĂ© odmocninÄ› intenzity laserovĂ©ho zářenĂ­.

IdeálnĂ­m zdrojem jednotlivĂ˝ch fotonĹŻ jsou jednotlivĂ© atomy. MĹŻĹľe jĂ­t o dvouhladinovĂ˝ kvantovÄ›-mechanickĂ˝ systĂ©m. Ten emituje jeden foton pouze tehdy, kdyĹľ laserovĂ˝ pulz excituje jeden elektron, kterĂ˝ se vracĂ­ zpÄ›t do základnĂ­ho stavu. Kvantová teÄŤka se Ĺ™adĂ­ mezi technologie, kterĂ© byly vyvinuty, aby tento proces napodobily. Jde o malĂ˝ kousek polovodiÄŤe, kterĂ˝ mĹŻĹľe emitovat jednotlivĂ© fotony vyuĹľitĂ­m struktury diskrĂ©tnĂ­ch elektronovĂ˝ch stavĹŻ, jeĹľ se podobá atomu.

PĹ™ibliĹľnÄ› pĹ™ed patnácti lety fyzici ukázali, Ĺľe kvantová teÄŤka z indium arsenidu mĹŻĹľe emitovat jednotlivĂ© fotony na telekomunikaÄŤnĂ­ch frekvencĂ­ch 1,3 – 1,5 mikrometrĹŻ. TakovĂ© zařízenĂ­ však musĂ­ pracovat pĹ™i kryogennĂ­ch teplotách kolem 4 K, a tak je v praxi nevyuĹľitelnĂ©. Naproti tomu dusĂ­kovĂ© vakance v diamantu dokáží jednotlivĂ© fotony generovat pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ›, problĂ©mem však je, Ĺľe to jde pouze v oblasti viditelnĂ©ho svÄ›tla.

Fyzici z Los Alamos ve svĂ©m nejnovÄ›jším vĂ˝zkumu ozaĹ™ovali laserem uhlĂ­kovĂ© nanotrubice. Jde o svinutĂ© jednoatomovĂ© vrstvy uhlĂ­ku, kterĂ© však nemajĂ­ potĹ™ebnou strukturu energetickĂ˝ch hladin. Fyzici tento problĂ©m vyĹ™ešili tak, Ĺľe pouĹľili trubice se speciálnĂ­mi defekty. PouĹľitĂ­m laseru generovali páry elektron-dĂ­ra (excitony) a pak v defektu na povrchu nanotrubice jeden exciton zachytili. PoslĂ©ze se elektron z excitonu vrátil do základnĂ­ho stavu a emitoval pĹ™itom foton.

Tento postup jako prvnĂ­ v roce 2008 popsali curyšštĂ­ fyzici. Jejich práce využívá velmi malĂ˝ch poklesĹŻ elektrickĂ©ho potenciálu na povrchu uhlĂ­kovĂ˝ch nanotrubic. Poklesy jsou dĹŻsledkem zmÄ›n v okolĂ­ trubic, pokud ty jsou uloĹľeny v kapalnĂ© suspenzi a pak rozptĂ˝leny na substrát. Pokles potenciálu je však velmi malĂ˝, pouhĂ˝ch nÄ›kolik milielektronvoltĹŻ. To je daleko mĂ©nÄ› neĹľ tepelná energie excitonu pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ›. Tento zpĹŻsob by vyĹľadoval chlazenĂ­ nanotrubic na 4 K. Aby bylo moĹľno pracovat pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ›, fyzici poslĂ©ze pĹ™idali defekty, kterĂ© vytváří mnohem hlubší potenciálovĂ© jámy. PoprvĂ© to zkusili pĹ™ed dvÄ›ma roky, kdy zavedli kyslĂ­kovĂ© defekty o hloubce aĹľ 300 meV. PĹ™estoĹľe však byli schopni generovat jednotlivĂ© fotony pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ›, emise byla nestálá, objevovalo se blikánĂ­ a nebylo moĹľno pĹ™esnÄ› nastavit frekvenci vhodnou pro telekomunikace.

AmeriÄŤtĂ­ a japonštĂ­ fyzici se proto teÄŹ obrátili k molekulám podobnĂ˝m benzenu. Ty pĹ™edstavujĂ­ kruh šesti párĹŻ uhlĂ­k-vodĂ­k a pokud jsou kovalentnĂ­ vazbou pĹ™ipojeny k nanotrubici, tvoří 130 – 300 meV hlubokou potenciálovou jámu. ZmÄ›nou prĹŻmÄ›ru mĹŻĹľe bĂ˝t nanotrubice s kruhem molekul upravena tak, Ĺľe emituje na tĹ™ech vlnovĂ˝ch dĂ©lkách v telekomunikaÄŤnĂ­m pásmu od 1,15 do 1,6 mikrometru. ModifikovanĂ© nanotrubice mohou generovat jednotlivĂ© fotony stabilnÄ› pĹ™i pokojovĂ© teplotÄ› na frekvencĂ­ch nižších neĹľ 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.

PĹŻvodnĂ­ práce byla uveĹ™ejnÄ›na v Nature Photonics.


Mohlo by vás zajímat:

Spintronické neurony rozeznávají řeč
Fyzici rozvinuli herkulánské svitky
MravenÄŤĂ­ fyzika
Satelity pomáhají předpovídat sopečné erupce

KompletnĂ­ archiv Aktualit z fyziky

Tento ÄŤlánek jsme automaticky naimportovali z pĹ™edchozĂ­ho redakÄŤnĂ­ho systĂ©mu. Pokud se v nÄ›m nÄ›co pokazilo, dejte nám prosĂ­m vÄ›dÄ›t.