Kvantepunkter er ikke punkter – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2010 > Kvantepunkter er ikke ...

21. december 2010

Kvantepunkter er ikke punkter

Forskere fra Quantum Photonics gruppen på DTU har i samarbejde med Kvante-optik gruppen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet overrasket den videnskabelige verden med opdagelsen af, at lys-udstråling fra faste punktkilder, de såkaldte kvantepunkter, er fundamentalt anderledes end hidtil troet. Den nye viden kan få stor betydning i forbedring af effektiviteten af kvanteinformations-enheder. Resultaterne er offentliggjort i det ansete tidsskrift Nature Physics.

I dag er det muligt at fremstille og tilpasse højeffektive lyskilder, der udsender en enkelt foton ad gangen (en foton udgør den grundlæggende enhed af lys). Sådanne foton-udsendere kaldes kvantepunkter og består af tusindvis af atomer. På trods af den forventning, som afspejles i ordet, viser de nye resultater at kvantepunkter ikke kan betegnes som punktkilder af lys. Dette fører til den overraskende konklusion: kvantepunkter er ikke punkter!

Kvantepunkter er fast-stof 'kunstige atomer', der består
af tusindvis af atomer (gule kugler), der er indlejret i en
halvleder (blå kugler). På trods af denne kompleksitet,
har man hidtil troet, at foton-udsendelsen fra kvante-
punkter ville være som de traditionelle atomer, som
sender lyset ud i alle retninger. Men den nye forskning
med et metallisk spejl afslører, at foton-udsendelse fra
kvante-punkter følger helt andre retningslinjer. Dette
blev påvist ved at vise at fotonudsendelsen var
markant anderledes, hvis kvantepunktet blev vendt
omvendt i forhold til spejlet.

Den nye viden blev påvist ved eksperimentelt at registrere foton-udledningen fra kvantepunkter, der var placeret tæt på et metallisk spejl. Punktkilder af lys har de samme egenskaber, uanset om de er vendt på hovedet, og det var forventet også at være tilfældet for kvantepunkter. Denne symmetri viste sig imidlertid ikke at passe i forsøgene på DTU, hvor der blev observeret en meget udtalt forskel af foton-udledningen i forhold til orientering af kvantepunkterne.

De eksperimentelle resultater passer dog fortræffeligt med en ny teori, som er udviklet af DTU forskerne i samarbejde med Anders S. Sørensen fra Niels Bohr Institutet. Teorien tager hensyn til den rumlige udstrækning af kvantepunkterne i vekselvirkningen med lyset.

Overflade med lysfælder

På metalspejlets findes de såkaldte plasmoner, som fanger lyset tæt på overfladen. Plasmonerne er en slags lysfælde, der bevirker, at i stedet for at lyset sendes ud i alle retninger, vil lyset flytte sig langs metaloverfladen. Plasmoner spiller derfor en stor rolle i metaloverfladers optiske egenskaber, og det er et meget aktivt og lovende forskningsfelt. Det at fotonerne er fanget i et meget lille område nær overfladen, åbner for helt nye muligheder for at kontrollere lyset. Specielt vil det have anvendelsesmuligheder indenfor kvanteinformationsvidenskaben.

At lyset er fanget i plasmoner indebærer også, at foton-udsendelsen fra kvantepunkter nær overflader er meget anderledes end hvis de var langt fra overfladen, og at kvantepunkter kan udsende en meget stor del af deres energi som plasmoner. Det nuværende arbejde viser, at udsendelsen af plasmoner kan være endnu mere effektiv. Det, at kvantepunkter er langt større end et atom, betyder nemlig at de kan vekselvirke mere effektivt med plasmoner end hidtil antaget.

Forskningen kan bane vejen for nye nano-lys-komponenter, der udnytter den rumlige udstrækning af kvantepunkterne som en ny ressource. Den nye effekt forventes at være vigtig også i andre forskningsområder, for eksempel fotoniske krystaller, kvante-elektrodynamik, og til at indvinde solenergi.

Artikel i Nature Physics >>

Forskergruppen bag opdagelsen

Forskningen er udført i Quantum Photonics gruppen på DTU Fotonik, Danmarks Tekniske Universitet af et forskerhold bestående af postdocs Mads Lykke Andersen og Søren Stobbe og lektor Peter Lodahl i samarbejde med lektor Anders S. Sørensen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.