Onderzoekers schakelen supersnel met quantumlichtbronnen

afbeelding 1: De supersnelle emissie van een lichtbron
De lichtbron is ingebed in een optische resonator waar hij spontaan een foton uitzendt. Tijdens de emissie van de foton wordt de gewenste kleur van de resonator snel geschakeld (gesymboliseerd door een hamer) in dezelfde kleur als de lichtbron. Tijdens dit korte tijdsinterval wordt de lichtbron getriggerd om op het gewenste tijdstip een ultrakorte puls van fotonen uit te zenden.

afbeelding 2: Spontane emissie-intensiteit
De spontane emissie-intensiteit van een lichtbron als functie van de tijd na excitatie op het nulpunt. De gebruikelijke emissie volgt een exponentiële curve (stippellijn). Fotonen die worden uitgezonden door een lichtbron in de geschakelde resonator (rode lijn) zijn gebundeld binnen een tijdsspanne die veel korter is dan de gemiddelde emissietijd. De korte intense lichtpuls wordt aangegeven door het rode gebied.

afbeelding 3: Halfgeleider nanonpilaar
Een rasterelektronenmicroscoop-afbeelding van een nanostructuur: een halfgeleider micropilaar met een diameter van 1 µm. Hij bestaat uit een centrale GaAs-laag die is ingeklemd tussen twee zogeheten Bragg stacks, gemaakt van alternerende lagen van GaAs en AlAs. De structuren worden in Grenoble gemaakt met behulp van moleculaire bundelepitaxie en nanostructurering.

Een elementaire lichtbron – zoals een geëxciteerde atoom of molecuul – zendt normaal gesproken licht uit op onvoorspelbare momenten. Deze spontane emissie van licht is een fundamenteel proces met toepassingen in bijvoorbeeld LEDs en lasers. Voor andere toepassingen is het echter wenselijk om fotonen (licht) precies op specifieke momenten te ontvangen, met een zo klein mogelijke marge. Deze eigenschap is bijvoorbeeld cruciaal voor extreem veilige communicatie op basis van quantumcryptografie. Daarom is een belangrijk onderzoeksdoel een quantumlichtbron te maken die op een gewenst moment een enkel foton uitzendt.

Schakelen van lichtemissie
De gemiddelde emissietijd van quantumlichtbronnen kan worden verkort door ze in nanostructuren te plaatsen, zoals optische resonatoren of golfgeleiders. De kleinste onzekerheid in de emissietijd is dan beperkt door het type nanostructuur dat wordt gebruikt en verschillen in de voorbereidingstijd van de emitter.

Het Nederlands-Franse team stelt voor deze beperkingen te overwinnen door de lengte van de resonator waarin de lichtbron zich bevindt snel om te schakelen. De tijdsduur van het schakelen zal veel korter moeten zijn dan de gemiddelde emissietijd. In dat geval zal de voorkeurskleur van de resonator maar gedurende een korte tijd overeenkomen met de emissiekleur van de lichtbron. Alleen binnen dat tijdsbestek worden de fotonen door de lichtbron de resonator ingezonden.

Ultrasnelle lichtbron
De onderzoekers wil quantum-dot-lichtbronnen gebruiken voor dit ontwerp. Quantum dots kunnen gemakkelijk geplaatst worden in resonatoren die slechts microns groot zijn. De resonator zal vervolgens schakelen wanneer er een ultrakorte laserpuls op schijnt tijdens de emissietijd van de quantum dots. De puls verandert kort de lichtbreking in de resonator en daarmee de effectieve resonatorlengte. De schakeltijd is afhankelijk van het moment dat de ultrakorte laserpuls aankomt en de levensduur van de geëxciteerde elektronen.

Deze beheersbare lichtschakelaars kunnen worden gebruikt om lichtbronnen voor snelle stroboscopen te maken. Daarnaast kunnen ze worden gebruikt in quantumcryptografie en voor het bestuderen van ultrasnelle quantumelektrodynamica in trilholtes.

Het team
Het onderzoek is uitgevoerd door FOM-postdoc dr. Henri Thyrrestrup, dr. Alex Hartsuiker en FOM-werkgroepleider prof.dr. Willem L. Vos van de afdeling Complex Photonic Systems (COPS) van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, in samenwerking met prof.dr. Jean-Michel Gérard van het Institute for Nanoscience and Cryogeny in Grenoble, Frankrijk.