Udfordringen i at styre en foton

Lysets mindste bestanddele kaldes fotoner.

Der bliver forsket intenst i, hvordan disse kan erstatte de elektroner, vi normalt bruger til at overføre data og information.

Der skal stadig gennemføres mange års – måske endda årtiers – udregninger og eksperimenter, før vi kan erstatte vores almindelige computere med de kvantecomputere, der skal udnytte fotonerne.

En af de store udfordringer, som skal løses, før vi kan udnytte fotonerne, er at få kontrol over dem.

De driller den videnskabelige verden ved både at kunne optræde som partikler og som bølger. Og ligesom andre bølger, for eksempel dem vi ser på havet, har fotoner en tilbøjelighed til at udbrede sig i en hvilken som helst retning.

Men skal fotonerne bruges til at overføre data, så er det afgørende at kunne sende dem i kun én retning, nemlig derhen hvor modtageren sidder.

Netop dette har adjunkt Niels Gregersen fra Nanofotonik-klusteren på DTU Fotonik samarbejdet med de to franske forskere Julien Claudon og Jean-Michel Gérard fra Genoble om.

Og de har nu en løsning, som er så overbevisende, at de har søgt patent på opfindelsen.

Kunsten at sende én foton

For at kunne benytte fotonerne skal man først og fremmest kunne udsende dem stykvis.

Det er i sig selv svært, da de lyskilder, vi normalt kender som glødepærer, lasere og dioder, sender et hav af fotoner af sted, når vi tænder for dem.

Derfor arbejder forskere i hele verden på at designe særlige kilder, som kan udsende fotoner enkeltvis. En sådan kilde kaldes logisk nok for en enkelt-foton-kilde (EFK).

Niels Gregersen og hans franske kolleger arbejder med at designe en EFK, der med høj effektivitet sender så mange fotoner i samme retning som muligt.

I marts kunne de således se deres første version af en EFK blive præsenteret på forsiden af det velrenommerede tidsskrift Nature Photonics.

»Det revolutionerende ved vores EFK og årsagen til, at den er bragt i Nature Photonics, er, at den har en meget høj effektivitet. Det vil sige, at hver eneste gang en foton bliver udsendt fra vores EFK, så er der 72 procent chance for, at den når frem til målet.«

»Den hidtidige rekord er en effektivitet på 44 procent, som blev sat i 2002, og som ikke er blevet forbedret siden, trods meget forskning inden for området,« forklarer adjunkt Niels Gregersen, der har bidraget med beregninger til udviklingen af designet, mens franskmændene har produceret og testet EFK’en.

Kunsten at sende fotoner i samme retning

Niels Gregersen og hans franske kolleger trækker blandt andet på viden fra en opdagelse, andre forskere gjorde for over ti år siden.

Her blev det påvist, at fotoner udsendt af et kvantepunkt (et kunstigt atom) vil følge retningen i en nanomikroskopisk tynd tråd af gallium arsenid, hvis nanotråden har en diameter på akkurat 200 nanometer.

Derudover har danskerens udregninger vist, at hvis nanotråden ender i en spids med en åbningsvinkel på maks. fem grader, så vil fotonerne fortsætte lige frem og ud af tråden mod målet. Er åbningen større end fem grader, vil fotonerne begynde at sprede sig i alle mulige retninger.

»Hvis fotonerne eksempelvis skal overføre data til Danske Bank, så går det ikke, at de spreder sig i alle retninger. Det vil vanskeliggøre kommunikationen,« forklarer Niels Gregersen.

Lynkursus i kvantepunkter

For at få en enkelt-foton-kilde (EFK) til at udsende fotoner enkeltvis, placerer man et såkaldt kvantepunkt inde i den. Et kvantepunkt er en lille samling atomer af et andet materiale end det omgivende, og det unikke ved kvantepunktet er, at det har tilsvarende egenskaber som et enkelt atom. Derfor kaldes kvantepunkter også for ‘syntetiske atomer’.

Kvantepunktet kan ligesom almindelige atomer henfalde. Det betyder, at atomets elektroner kan skifte energitilstand og gå fra en højere energitilstand til en lavere.

Når det sker, udsendes en foton. Når en elektron når den laveste energitilstand og ikke kan henfalde yderligere, er det muligt at få den tilbage til en højere tilstand igen, så den igen kan henfalde og udsende fotoner.

For at få elektronen tilbage i en højere energitilstand, skal den tilføres noget energi. Det løser forskerne på to måder: De kan lyse på kvantepunktet med en laser, det kaldes ‘optisk pumpning’, eller de tilfører kvantepunktet strøm, hvilket kaldes elektrisk pumpning.

Stræber efter enkelt design

Niels Gregersens og hans franske kollegers EFK-rekord er sket ved hjælp af optisk pumpning. Men de stræber efter at opnå lige så gode resultater ved at skifte til elektrisk pumpning.

Og Niels Gregersens udregninger fører til et helt nyt design, som de nu har taget patent på.

»Vi har med vores første design med nanotråden demonstreret, at vi forstår fysikken og mestrer den. Der er stort sammenfald mellem vores teoretiske udregninger og så de eksperimentelle data. Derfor har vi stor tiltro til, at vores næste design med den elektrisk pumpede EFK også vil lykkes,« forklarer Niels Gregersen.

Fordelen ved elektrisk pumpning er, at EFK’en vil blive en enklere komponent: Hvor en optisk pumpet EFK består af to dele, nemlig nanotråden og en separat laser, vil en elektrisk pumpet EFK bestå af én del: nanotråd med kontakter.

»Vi vil sætte to metalkontakter på vores nanotråd og sætte en spændingsforskel mellem kontakterne, der gør, at der løber strøm gennem kvantepunktet, så det begynder at udsende fotoner,« forklarer Niels Gregersen.

Partikel- og bølgenatur

Hvis fotonerne eksempelvis skal overføre data til Danske Bank, så går det ikke, at de spreder sig i alle retninger.

Niels Gregersen

Men metalkontakterne skaber en ny udfordring for forskerne. Kontakterne obstruerer nemlig fotonernes lyst til at udbrede sig i samme retning.

De ‘forstyrrer’ fotonerne, der ‘lokkes’ til at brede sig i andre retninger.

Det skyldes, at fotoner ikke kun er partikler, der ligesom perler på en snor følger nanotråden. De har også en bølgenatur.

Fotonernes bølgeprofil har en større udstrækning end de 200 nanometer, der ellers er den perfekte diameter på nanotråden.

Fotonernes bølgenatur gør, at de nærmest stråler ud fra tråden, og når de så passerer en kontakt, vil de blive delvist absorberet af den eller følge kontakten og dermed helt forlade den rute, forskerne helst så, at de tog.

Klar i år

Derfor har Niels Gregersen lavet nye, omfattende beregninger på et nyt design af EFK’en, som imødegår, at fotonerne bliver forstyrret af kontakterne. Løsningen er, at i stedet for at nanotråden ender i en spids, skal nanotråden være tragt-formet.

I dette nye og netop patenterede design starter fotonerne rejsen fra kvantepunktet i nanotråden som vanligt, men langsomt udvides diameteren på nanotråden, så den opnår tragtformen. Tragten sikrer, at fotonernes bølgestruktur er ‘omsluttet’ af nanotråden, når de passerer kontakten og derfor ikke bliver lokket på afveje for derefter at sprede sig i alle retninger.

Nu er Gregersens franske kolleger i gang med at producere den tragtformede EFK, og forskergruppen håber på at have en prototype klar i løbet af 2010.