Створено лазер, накачка якого проводиться одиничними електронами

Дослідники з Прінстонського університету (Princeton University) виготовили мініатюрний лазер нового типу, розмір якого не перевищує розмірів рисового зернятка. Але найцікавішим є те, що накачування цього мікрохвильового лазера, мазера, проводиться окремими електронами, переміщаються за рахунок ефекту квантового тунелювання через структуру штучного атома, відомого під назвою квантової точки.

Створення даного пристрою є демонстрацією деякого виду фундаментальних взаємодій між світлом і рухомими електронами, а практичне застосування розроблена технологія може знайти в області квантових обчислень, де квантові точки, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, можуть виступати в ролі квантових бітів, кубітів майбутніх квантових комп’ютерів.

«Створення квантового лазера є важливим кроком на шляху створення квантових обчислювальних систем на базі напівпровідникових матеріалів» – розповідає Пан Тейлор (Jacob Taylor), вчений з Національного інституту стандартів і технологій, – «І це досягнення повністю вписується в рух до нашої головної мети – реалізації явища квантової заплутаності між кубітами напівпровідникових квантових пристроїв, завдяки якому вони зможуть обмінюватися інформацією один з одним».

Для створення мініатюрного лазера дослідники спроектували квантові точки, які випромінюють фотони в ті моменти, коли рухомі електрони переходять з вищого на нижчий енергетичний рівень.

Кожна така квантова точка здатна пропустити через себе тільки один електрон за один раз.

«Це схоже на групу людей, що намагаються перестрибнути через струмок за умови того, що майданчик, з якого можна стрибнути і на яку можна приземлитися, вміщує тільки однієї людини» – розповідає один з дослідників, – «Тому люди змушені долати потік по одному. І наші подвійні квантові точки працюють точно так, пропускаючи електрони через себе строго по одному».

Основою квантових точок є надзвичайно тонкі, до 50 нанометрів, нанопроводники з арсеніду індію, напівпровідникового матеріалу. Ці нанопроводники прокладені поверх металевих провідників ще меншого діаметру, які виконують роль електрода, затвора, керуючого енергетичним рівнем квантових точок.


Рис. 1.

Лазер складається з двох ідентичних квантових точок, розташованих на відстані 6 міліметрів в поглибленні, деланном на підкладці з надпровідного матеріалу, охолодженого практично до температури абсолютного нуля. «Це є першим разом в історії фізики, коли реалізована квантова зв’язок між двома точками, розділеними вельми істотним відстанню, майже сантиметром».

Коли на пристрій подається електричний потенціал, електрони по одному починають проходити через структуру подвійної квантової точки. Втрачаючи енергію на цьому переході, електрони змушують квантові точки випромінювати фотони мікрохвильового діапазону, які, відбиваючись від дзеркал, розташованих по краях поглиблення, шикуються в послідовний промінь мікрохвильового лазерного випромінювання.

Великою перевагою нового лазера є те, що енергетичні рівні кожної квантової точки можуть бути встановлені з дуже високою точністю. Чим більше різниця між енергетичними рівнями квантових точок, тим більшу частоту має випромінювання лазера. Це дозволяє отримати таку частоту випромінювання лазера, на якій принципово не можуть працювати напівпровідникові лазери інших типів, частота випромінювання яких, до того ж, визначається в момент їх виробництва.

«Використання подвійних квантових точок дозволяє отримати повний контроль над енергетичними рівнями і, як наслідок, над рухом окремих електронів. Це, в свою чергу, дозволяє лазеру випромінювати як безперервний потік світла достатньо великий для його розмірів потужності, так і окремі фотони. І, завдяки цьому, новий лазер може з успіхом виступати в ролі джерела світла і джерела одиничних фотонів для квантових обчислювальних систем майбутнього».

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *