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.
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.
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.
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).