Znajdź zawartość

Dotychczas zjawiska kwantowe były dostrzegalne tylko w skali mikro, ale dzięki pracom uczonych z University of Cambridge właśnie się to zmieniło. Na uczelni powstał układ scalony zamieniający elektrony w stan kwantowy, który podczas tej operacji emituje światło. Całość jest na tyle duża, że zjawisko można obserwować gołym okiem. Do wytworzenia stanów kwantowych wystarczy oświetlić układ za pomocą laserów. W ten sposób powstają olbrzymie polarytony o grubości ludzkiego włosa, które emitują światło. Po poddaniu ich działaniu lasera okazało się, że tworzony przez nie „płyn kwantowy“ zaczyna spontanicznie oscylować w przód i w tył, tworząc znane fizykom kwantowe wahadło. Od innych tego typu zjawisk odróżniają je tysiące razy większe rozmiary. Eksperyment przeprowadzili doktor Gab Christmann, profesor Jeremy Baumberg i doktor Natalia Berloff. Christmann wyjaśnia, że te polarytony w zdecydowanej większości poruszają się zgodnie ze sobą, co wskazuje na kwantowe splątanie. Uzyskany w ten sposób kwantowy płyn ma pewne szczególne właściwości. Próbuje np. odpychać poszczególne cząsteczki od siebie, powstają w nim wiry z określonej liczby cząsteczek, co oznacza, że wiry te tworzą regularny wzór. Uczeni dowiedli, że ich płyn kwantowy można kontrolować za pomocą laserów i tworzyć z niego wahadło oscylujące z częstotliwością liczoną w megahercach. Nie spodziewaliśmy się możliwości bezpośredniego zaobserwowania takiego zjawiska. To niezwykłe, jak doskonałe muszą być nasze próbki. Możemy w czasie rzeczywistym sterować przepływem strumieni polarytonów dzięki działaniu laserów, za pomocą których je stworzyliśmy - mówi Christmann. Co więcej, okazało się, że zwiększając liczbę laserów można tworzyć bardziej skomplikowane stany kwantowe. Celem badań jest opracowanie urządzenia, które stworzy stany kwantowe w temperaturze pokojowej i przy użyciu zasilania z baterii.

Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów. Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania. Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia. Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal. Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi. Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów. Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.