Ultrasnel op afstand nanolichtbronnen schakelen

Onderzoekers van de TU/e kunnen voor het eerst op afstand een miniatuur lichtbron controleren op tijdschalen van 200 biljoensten van een seconde. Zij publiceren hun resultaten op 14 september  2014 in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Natuurkundigen van de  Eindhovense groep Photonics and Semiconductor Nanophysics hebben een manier ontwikkeld om nanolichtbronnen op afstand te bedienen, en wel op een ultrakorte tijdschaal. Deze lichtbronnen zijn nodig om quantum-informatie te kunnen versturen.

Ze etsten hiervoor een zogeheten fotonisch kristal rondom enkele quantum dots in een halfgeleiderlaag. Quantum dots zijn kleine structuren die spontaan licht uitzenden als gevolg van atomaire processen. Door met een korte laserpuls de brekingsindex van het fotonisch kristal even te verstoren, ervaart de quantum dot een verandering van het elektromagnetische veld om zich heen. Deze verandering kan het uitzenden van licht door de dot versnellen of vertragen. Zodra de verstoring voorbij is, zal de dot weer op de normale manier stralen.

Ultrakorte lichtflits
Op deze manier is de spontane uitzending van licht door de dot naar believen aan- en uit te zetten. Meest opvallend aan deze methode is dat de tijdsduur van de lichtflits aanzienlijk korter gemaakt kan worden dan de natuurlijke levensduur van zo’n dot als lichtbron. In het huidige artikel beschrijven de onderzoekers een experiment waarin de lichtpuls 200 picoseconden (biljoensten van een seconde) lang was, maar op basis van de theorie verwachten ze deze lichtpulsen nog een factor tien korter te kunnen maken. Daarnaast blijkt het dus mogelijk om met een laserpuls op relatief grote afstand van de lichtbron de uitzending van licht te controleren.

Quantuminformatie
Dit onderzoeksresultaat is onder andere van belang om quantuminformatie te kunnen versturen. Hiervoor zijn lichtbronnen nodig die individuele fotonen (lichtdeeltjes) kunnen uitzenden. De controle over tijdsafhankelijke eigenschappen van deze fotonen is belangrijk om quantuminformatie te kunnen uitwisselen tussen verschillende partijen. De nu voorgestelde methode om de lichtbron op afstand te controleren maakt dit mogelijk, zonder de eigenschappen van het uitgezonden lichtdeeltje te beïnvloeden.

De onderzoekers maakten de speciale structuur, waarin een quantum dot gevangen zit in een fotonisch kristal, met de faciliteiten van het NanoLab@TU/e. Het onderzoek is verder mogelijk gemaakt door NanoNextNL, STW en FOM.