Vieno fotono emiteris

Vieno fotono emiterisI.Aharonovich, D.Englund, M. Toth, Solid-state single-photon emitters, Nature Photonics 10, 631-641 (2016). – tai šviesos šaltinis, skleidžiantis šviesą fotonais, t. y.  šviesos dalelėmis Kobychev, V.V.; Popov, S.B. (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters. 31 (3): 147–151.Frisch, David H.; Thorndike, Alan M. (1964). Elementary Particles. Princeton, NJ: David Van Nostrand. p. 22.. Norint jį apibūdinti kaip gerą šaltinį, jis turi pasižymėti keliais kriterijais. Idealiomis sąlygomis, vieno fotono emiterio šviesos pulsai privalo būti skleidžiami dideliu greičiu (dažniu) ir tik po vieną fotoną kas kartą. Norint šį prietaisą pritaikyti buityje, taip pat yra būtina, kad šis veiktų kambario temperatūroje.

 Istorija 

Teorinė vieno fotono šaltinio idėja buvo pasiūlyta dar 1900 m. Makso PlankoPlanck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204., tačiau įgyvendinti ją pavyko tik 1974 m. Tai buvo pasiekta naudojant gyvsidabrio atomus Clauser, John F. (1974). "Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect". Phys. Rev. D. 9 (4): 853–860.. Praėjus daugiau nei šimtui metų nuo pirmųjų bandymų, šis tikslas vis dar nėra pasiektas. Mokslininkai iki šių dienų atlieka tyrimus, eksperimentuoja ir vis bando atrasti naujų, potencialių bei pritaikomų kasdienybėje vieno fotono šaltinio gavimo būdų.

 Emiterių rūšys 
Kurdami vieno fotono šaltinį, mokslininkai, yra išbandę ne vieną būdą šiam tikslui pasiekti, atlikdami įvairiausius tyrimus  bei panaudodami skirtingas medžiagasEisaman, M. D.; Fan, J.; Migdall, A.; Polyakov, S. V. (2011-07-01). "Invited Review Article: Single-photon sources and detectors". Review of Scientific Instruments. 82 (7): 071101–071101–25.. Vieni pagrindinių būdų yra šie: kvantinių taškų utilizavimasJ.Kim, O. Benson, H. Kan, Y. Yamamoto, A single-photon turnstile device, Nature 397, 500-503 (1999).  () , puslaidininkių modeliavimas (), vienos molekulės sužadinimasB. Lounis, W. E. Moerner, Signle photons on demand from a single molecule at room temperature, Nature 407, 491-493 (2000). (), skirtingų molekulių F centrų panaudojimas (). Visi šie būdai yra unikalūs, kiekvienas jų pasižymi tik sau būdingomis savybėmis, tiek privalumais, tiek ir trūkumais. Taip pat kiekvienas jų pasižymi ir skirtingais naudojimo būdais bei  sąlygomis.

 Kvantinių taškų utilizavimas 

Kvantiniai taškai – tai mažosios puslaidininkių dalelės. Tai pat jos kartais apibūdinamos kaip mažos puslaidininkių dalys, kurių energijos lygmuo () yra daug mažesnis už puslaidininkio energijos lygmenį, prie kurio jos yra pritvirtintos. Jų dydis siekia vos kelis nanometrus. Vieni vieno fotono šaltiniai būtent ir veikia šių dalelių utilizavimo būdu. Tačiau šis būdas nėra efektyvus, pasižymi savais trūkumais. Pagrindinė problema yra ta, kad praėjus tam tikram laikui naudojant tokį šaltinį, jis pradeda skleisti daugiau nei vieną fotoną, kurio kiekvieno dažnis yra skirtingas, jis tampa nenuspėjamas. Tokiu atveju prietaisas nebegali tinkamai funkcionuoti. To priežastis yra krūvininkų pagrindinėje medžiagoje gyvavimo trukmė. Ji yra per didelė, palyginus su kvantinių taškų krūvininkų gyvavimo trukme. Šis šaltinio panaudojimo būdas gali būti tinkamas tik tam tikrą laiką, vėliau jis neatlieka savo pagrindinės paskirties. 

 Puslaidininkių modeliavimas 

Kitu būdu vieno fotono emiteris gaunamas gaminant puslaidininkių sandūrą. Šis būdas yra panašus į pirmąjį (kvantinių taškų utilizavimą), jis taip pat veikia panaudojant puslaidininkį. Šiam būdui būtina sąlyga yra pn sandūra. Tai yra puslaidininkio, sudaryto iš kitų dviejų skirtingų ženklų puslaidininkių, sandūra. Šią sandūrą paveikus tam tikra įtampa, išspinduliuojamas vienas fotonas. Paveikus konstrukciją tam tikra įtampa, elektronas gali pereiti pn barjerą (tarp skirtingų ženklų esančio puslaidininkio barjerą). Tačiau šis fotonų šaltinio gavimo būdas yra komplikuotas. Gamint tokį puslaidininkį, būtina tai atlikti labai kruopščiai ir tiksliai. 

 Vienos molekulės sužadinimas 

Vieno fotono emiteris taip pat gali būti pagamintas naudojant pavienes molekules, sužadinant jų centrusX. L. Chu, S. Gotzinger, V. Sandoghdar, A single molecule as a high-fidelity photon gun for producing intensity-squeezed light, Nature Photonics 11, 58-62 (2017).. Šio būdo veikimo principas yra paremtas molekulių savybėmis. Molekulės traukia vieną kitą dėl jų natūralių savybių. Dėl šios priežasties tik vienas fotonas gali būti išspinduliuotas per tam tikrą laiką (pastoviu dažniu). Norint, kad šaltinis išspinduliuotų antrąjį fotoną, reikalingas pilnas emisijos ciklas (excitation-emission cycle), tada ši sąlyga yra pasiekiama. Norint išspinduliuoti fotoną, molekulei privalu suteikti lazerio impulsą, o tai trunka trumpiau nei emisijos ciklas, tačiau šis būdas yra pritaikomas ne visoms molekulėms, tik tam tikroms. Jos turi pasižymėti geromis fluorescencinėmis savybėmis. Apšvietus molekulę šviesa, ji turi sugerti šviesos impulsą, o ne atspindėti, būti termiškai stabilia. Priešingu atveju, per daug sužadintoms molekulėms reikės labai trumpo ir intensyvaus lazerio spindulio, o tai yra sunkiai realizuojama. Dėl šios priežasties šis būdas gali būti naudojamas tik esant labai žemoms temperatūroms, kurios siekia vos kelis kelvinus, o tai yra žemiau -250°C.

 Skirtingų molekulių F centrų panaudojimas 

F centrų (F-center) panaudojimas vieno fotono emiteriui yra panašus į prieš tai buvusį. Pagrindinis skirtumas yra toks, kad užuot naudojus pavienes molekules, yra taikomi F centrai. Dar vienas panašumas – F centrai funkcionuoja kaip keturių lygmenų molekulė. Vieno fotono emiteriai, pagrįsti šiuo būdu, naudoja nanokristalus. Jie yra gaminami iš sintetintų deimantų miltelių, jų dydis siekia vos apie 100 nm. Norint gauti vieno fotono pastovų lazerio pulsą, yra naudojama natrio sujaudinimo spraga, prieš tai prafiltravus pulsą. Šis gavimo būdas yra vienas efektyviausių, pasižymi dideliu pastovumu kambario temperatūroje, o tai reiškia, kad šis būdas gali būti pritaikytas buityje ir kasdieniniame gyvenime. Tačiau viena pagrindinių problemų yra deimanto nanokristalų gavyba. Užauginti kristalai privalo turėti tik vieną natrio spragą centre.

 Pritaikymas 

Vieno fotono emiteriai yra būtina sąlyga ateities kvantinių technologijų atsiradimuiA. Slachter, Single photon emitters and their use in quantum cryptography and quantum computation.. Šioje srityje mokslininkai dar iki šiol tebedirba, išbando įvairiausias teorijas bei idėjas. Tyrimai vykdomi dėl to, jog šie prietaisai gali būti naudojami kvantinėje kriptografijoje, taip pat kaip ir kitose kvantinės informacijos taikymo srityse, pavyzdžiui, kvantiniuose kompiuteriuose. Naudojant vieno fotono šaltinį, yra įmanoma sukonstruoti vieną greičiausių kompiuterių – kvantinį kompiuterį.

 Kvantinė kriptografija 

Vieno fotono emiterio panaudojimas kvantinės kriptografijos srityje leidžia koduoti informaciją, taigi, informacija tampa neiššifruojamaThapliyal, K.; Pathak, A. (2018). "Kak's three-stage protocol of secure quantum communication revisited". Quantum Information Processing. 17 (9).. Šiuo būdu gausybė duomenų gali būti apsaugota nuo įsilaužimų ir pašalinių asmenų.

Vieno fotono emiteriai pasižymi dideliu potencialu kvantinių technologijų raidoje. Būtent dėl šios priežasties mokslininkai tebedirba šioje srityje ieškodami sprendimų. Atradus sprendimą padidėtų efektyvumas, sumažėtų gamybos kaina ir atsirastų galimybė pritaikyti prietaisą buityje, naudoti kambario temperatūroje, o tai atvertų duris į saugesnį bei privatesnį asmeninį gyvenimą.

 Šaltiniai 

Kategorija:Optika
Kategorija:Technologijos