Zvětšit obrázek

Mikromaser velikosti zrnka rýže. Kredit: Jason Petta, Department of Physics/ Princeton university

Na Princetonu postavili maličký mikrovlnný laser, tedy maser, který pohání asi tak miliardtina elektrického proudu, potřebného na běžný vysoušeč vlasů. Původně to byl jenom prostředek pro studium interakcí mezi světlem a pohybujícími se elektrony, v rámci výzkumu kvantových teček, polovodičových nanokrystalů, které se chovají jako jednotlivé atomy a s nimiž se počítá ve vývoji kvantových počítačů. Ale proč se nepochlubit, když postavíte něco okouzlujícího, a to mikromaser bezesporu je.

Zvětšit obrázek

Yinyu Liu. Kredit: Catherine Zandonella, Office of the Dean for Research/ Princeton University.

Šéf výzkumu Jason Petta a jeho kolegové si pochvalují, že jejich nové zařízení představuje významný krok ve vývoji kvantových výpočetních systémů z polovodičových materiálů. Podle vědců jde o klíčový výsledek, který je posouvá blíž ke dlouhodobému cíli výzkumu, kterým je kvantové provázání, čili entanglement, mezi qubity v polovodičových kvantových zařízeních.

Zvětšit obrázek

Krystaly arsenidu india. Kredit: W. Oelen, Wikimedia Commons.

Petta a spol. v tomto případě studovali dvojité kvantové tečky, tedy dvě kvantové tečky spojené dohromady, v roli qubitů. Podle Yinyu Liu, první autorky studie čerstvě publikované v časopisu Science, se je snažili donutit ke vzájemné komunikaci. Kvantové tečky komunikují prostřednictvím kvantového provázání fotonů a tak vědci vytvořili kvantové tečky, které vyzařují fotony, když jednotlivé elektrony při průchodu kvantovou tečkou přeskočí z hladiny o vyšší energii a na hladinu o nižší energii.

Každou dvojitou kvantovou tečkou přitom může v jednu chvíli projít vždy jen jediný elektron. Petta to popisuje jako výpravu, která přechází potok. Lidé jeden po druhém v řade přeskakují na druhý břeh přes tak malý kámen, že se na něj vejde vždy jen jediný člověk. Proto musejí přes potok po jednom. Kvantové tečky v mikromaseru Pettova týmu jsou tak malé, že v nich elektron uvízne ve všech třech prostorových rozměrech.

Zvětšit obrázek

Schéma nového mikromaseru. Kredit: Liu et al. (2015), Wikimedia Commons.

Badatelé své dvojité kvantové tečky vyrobili z nesmírně tenkých nanodrátků polovodičového materiálu arsenidu india (InAs) o průměru kolem 50 nanometrů. Tyto nanodrátky uspořádali kolem ještě menších kovových drátků, které posloužily jako elektroda hradla (gate electrode), ovládající hladiny energie v kvantových tečkách. Mikromaser zkonstruovali tak, že umístili dvě dvojité kvantové tečky, navzájem vzdálené asi 6 milimetrů, do dutiny vyrobené ze supravodivého niobu, udržovaného v teplotě blízké absolutní nule. Když mikromaser zapnuli, tak elektrony jeden po druhém procházely dvojitými kvantovými tečkami a vyvolávaly tím vyzářování mikrovlnných fotonů, které posléze vytvořili svazek koherentního mikrovlnného záření.

Význam nového mikromaseru podle všeho přesahuje experimentování s kvantovými tečkami. Jeho velká výhoda tkví v tom, že je možné regulovat hladiny energie v jeho kvantových tečkách a produkovat tím záření o různých frekvencích. Čím větší je rozdíl mezi hladinami energie ve kvantových tečkách, tím vyšší je frekvence záření, které mikromaser vyzařuje. Jiné polovodičové lasery to neumí, protože vytvářejí záření o jediné, předem nastavené frekvenci. Claire Gmachl z Princetonu, která se na tomto výzkumu nepodílela, vítá nový mikromaser, jako průlomové zařízení, které by mohlo ovlivnit vývoj mnoha soudobých technologií – od komunikací až po medicínu. Zároveň podle ní nabízí pozoruhodný vhled do vztahu mezi světlem a pohybujícími se elektrony, jak vědci původně zamýšleli.

Video: 
Double Quantum Dots - Martin Laforest - USEQIP 2011. Kredit: Institute for Quantum Computing.

Literatura

Princeton University News 15. 1. 2015, Science 347: 285-287, Wikipedia (Quantum dot).