Κβαντικές ακίδες ανιχνεύουν μικροκυματικά φωτόνια

Από σελίδα του PhysicsWeb, 4 Ιουνίου 2002

Ένας ευπροσάρμοστος ανιχνευτής μοναχικών φωτονίων που λειτουργεί στις συχνότητες των μικροκυμάτων έχει αναπτυχθεί από τους φυσικούς στην Ιαπωνία. Δημιουργημένος από τον Oleg Astafiev και συνάδελφους του, στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, ο ανιχνευτής δεν χρησιμοποιεί τα μαγνητικά πεδία που κατέστησαν τις προηγούμενες συσκευές ακατάλληλες για πολλές από τις επιθυμητές εφαρμογές τους. Σύμφωνα με τον Astafiev, πολλοί τομείς της έρευνας έχουν δυσκολευτεί στο παρελθόν από μια έλλειψη κατάλληλων μετρητών φωτονίων (Astafiev και λοιποί, 2002 Appl. Phys. Lett. 80 4250).

Η ανίχνευση φωτονίων των μικροκυμάτων είναι κρίσιμη για ένα ευρύ φάσμα της βασικής έρευνας, καθώς επίσης και την ανάπτυξη νέων συσκευών. Η ακτινοβολία μικροκυμάτων συνδέεται με το υπεραγωγικό ενεργειακό χάσμα στους υπεραγωγούς, τα ενεργειακά χάσματα στις νανοδομές ημιαγωγών, και τις περιστροφικές και παλμικές διεγέρσεις των μορίων.

Αλλά αν και οι ανιχνευτές μοναχικών φωτονίων υπάρχουν ήδη για το ορατό φως, έχει αποδειχθεί δυσκολότερο να φτιαχθεί μια παρόμοια συσκευή για τα φωτόνια μικροκυμάτων επειδή είναι κατά μέσον όρον γύρω στις χίλιες φορές λιγότερο ενεργητικά. Οι φυσικοί έχουν φτιάξει προηγουμένως έναν ανιχνευτή που είναι ευαίσθητος στα μοναχικά φωτόνια στη άκρα-υπέρυθρη περιοχή, αλλά χρησιμοποίησαν ισχυρά μαγνητικά πεδία που - σε πολλές περιπτώσεις - θα κατέστρεφαν την ίδια την επίδραση, που ο ανιχνευτής προσπαθούσε να παρατηρήσει.

Τώρα ο Astafiev έχει σχεδιάσει μια μη-μαγνητική συσκευή που είναι βασισμένη σε δύο ηλεκτρικά συνδεδεμένες κβαντικές ακίδες. Οι κβαντικές ακίδες είναι νανο-μεγέθους αποταμιευτήρες ενός ημιαγωγού που ενσωματώνονται σε έναν άλλο ημιαγωγό. Δεδομένου ότι το υλικό των ακίδων έχει μια ενέργεια ζώνης χάσματος που είναι μικρότερη από αυτό του περιβάλλοντος υλικού, μπορεί να παγιδεψει τους φορείς των φορτίων.

Οι κβαντικές ακίδες στη νέα συσκευή γίνονται από αρσενίδιο γαλλίου και αρσενίδιο γαλλίου αργιλίου. Όταν ένα φωτόνιο φθάνει στην πρώτη ακίδα, διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας της ακίδας, και μια ισχυρή πολωμένη τάση μεταφέρει αυτό το ηλεκτρόνιο στη δεύτερη κβαντική ακίδα. Αυτη η ακίδα ενεργεί ως τρανζίστορ μοναχικών ηλεκτρονίων, η οποία μεταστρέφεται από το ηλεκτρόνιο για την καταχώρηση του φωτονίου. Αυτή η μονόδρομη μεταφορά των μοναχικών ηλεκτρονίων είναι κρίσιμη, επειδή αποτρέπει ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο να επιστρέψει στην βασική κατάστασή του στη πρώτη κβαντική ακίδα προτού να μπορέσει να καταχωρηθεί.

Ο Ostafiev και οι συνάδελφοι του θεωρούν τον ανιχνευτή τους, που είναι ευαίσθητος στα φωτόνια με μήκη κύματος της περιοχής κάτω από το ένα χιλιοστό, είναι πολύ ευπροσάρμοστος. Μπορεί να ανιχνεύσει φωτόνια με συχνότητες τόσο χαμηλές όπως 410 GHz - έναντι ενός χαμηλότερου ορίου 448 GHz για την προηγούμενη συσκευή - και οι ερευνητές λένε ότι θα μπορούσε να συντονιστεί για να αποκριθεί σε διαφορετικά μήκη κύματος με τη χρησιμοποίηση κβαντικών ακίδων διαφορετικών μεγεθών.

Η ομάδα επίσης λέει ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να γίνει η συσκευή μόνο από πυρίτιο, το οποίο θα την καθιστούσε συμβατή με ένα ευρύ φάσμα των υπαρχουσών ηλεκτρονικών συσκευών. Δεδομένου ότι ο ανιχνευτής δεν χρησιμοποιεί κανένα μαγνητικό πεδίο, η ομάδα είναι αισιόδοξη ότι θα είναι επίσης κατάλληλος για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Ανιχνευτής μοναχικών φωτονίων

Οι ερευνητές του Ερευνητικού Κέντρου της Toshiba στην Ευρώπη, στο Καίμπριτζ, ανέπτυξαν έναν ανιχνευτή μοναχικών φωτονίων βασισμένο στις κβαντικές ακίδες από το 2000. Είναι η πρώτη φορά που κβαντικές ακίδες έχουν χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσουν μεμονωμένα φωτόνια στα ορατά ή σε υπέρυθρα μήκη κύματος. Τα μοναχικά φωτόνια ανιχνεύονται συνήθως με την ενίσχυση ενός σήματος σε ένα σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή. Αυτή η νέα τεχνική αποφεύγει τις διαδικασίες εκείνες   που κάνουν τη συσκευή επιρρεπή σε θόρυβο.

Η κβαντική συσκευή ακίδων της Toshiba αποτελείται από ένα τρανζίστορ φτιαγμένη από διαφορετικά στρώματα αρσενίδιου γαλλίου και αρσενίδιου γαλλίου αργιλίου. Ένα από τα στρώματα αποτελείται εξ ολοκλήρου από κβαντικές ακίδες μεγέθους  νανομέτρου. Οι κβαντικές ακίδες είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στα φωτόνια. Ένα φωτόνιο που χτυπά τον ανιχνευτή ελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο που παγιδεύεται σε μία από τις ακίδες. Ένα κοντινό αγώγιμο κανάλι, ακριβώς μερικά νανομέτρα επάνω από το στρώμα της κβαντικής ακίδας, παίρνει το ηλεκτρόνιο - που προκαλεί μια ανιχνεύσιμη αλλαγή στην αντίσταση του καναλιού. Αυτήν την περίοδο η συσκευή λειτουργεί μόνο σε 4 βαθμούς Kelvin, αλλά η ομάδα ελπίζει να αναπτύξει   ανιχνευτές που θα λειτουργήσουν σε 77 βαθμούς Kelvin και, τελικά, στη θερμοκρασία δωματίου.