Новости науки 26.02.01. Синхронизированный источник одиночных фотонов

Классические источники света обычно представляют собой макроскопически большой набор излучателей. Однако в последнее время возникает потребность в источниках, позволяющих получить регулярный поток фотонов, когда в течение определенного промежутка времени должен быть испущен только один фотон. Такие источники нужны, например, для квантовой криптографии, где для защиты информации от прослушивания требуется иметь возможность за некий временной интервал создать не более одного фотона. В работе [1] демонстрируется новый метод синхронизированной генерации одиночных фотонов при резонансном возбуждении отдельной квантовой точки короткими лазерными импульсами ( про квантовые точки можно посмотреть здесь )

Впервые непрерывный поток одиночных фотонов наблюдался в случае единичных атомов и ионов, находящихся в "ловушке" (очевидно, что при резонансном оптическом возбуждении один атом не может излучить два фотона одновременно). Впоследствии генерация одиночных фотонов была осуществлена при оптическом возбуждении отдельных молекул. Однако со всех точек зрения наиболее привлекательными являются твердотельные источники одиночных фотонов. Главное их достоинство заключается в том, что они могут быть легко интегрированы в твердотельные электронные устройства.

Изображение системы квантовых точек InGaAs в GaAs, полученной с помощью атомно-силовой микроскопии.

На практике генерация одиночных фононов отдельной квантовой точкой была реализована следующим образом. С использованием электронно-лучевой литографии пленка, содержащая плоскость квантовых точек (островков с размером порядка 10 нм) InGaAs в GaAs (рис. 1), разделялась на "участки" с размером порядка сотни нанометров (в окружности радиусом 50 микрон вокруг каждого участка посредством травления удалялся слой толщиной 120 нм, включающий плоскость квантовых точек). Каждый такой участок содержал в среднем не более одной квантовой точки. Соответственно, фокусируя луч лазера, исследователи имели возможность "работать" с отдельной квантовой точки. Под действием света в квантовой точке появлялась (рождалась) одна или несколько электрон-дырочных пар. Электростатическое взаимодействие между парами (если родилась не одна пара) приводит к изменению положения уровней энергии. Например, две электрон-дырочные пары (два экситона) образуют связанное состояние - биэкситон. Вследствие этого первая пара при рекомбинации испускает фотон несколько меньшей энергии, чем вторая пара. Это обстоятельство позволяет "отфильтровать" все испущенные после возбуждающего импульса фотоны за исключением последнего. Длительность импульса (около 3 пикосекунд) была несоизмерима с временем жизни экситона (примерно 700 пикосекунд), а время задержки между импульсами превышало время жизни экситона почти в 20 раз. Таким образом, при использовании спектральной фильтрации отдельная квантовая точки действительно работала как синхронизированный источник одиночных фотонов.

1. C.Santori, M.Pelton, G.Solomon et al. Phys.Rev.Lett. v.86, 1502 (2001).

перейти к началу страницы