Kvantprickar är "konstgjorda atomer" i fast tillstånd som är uppbyggda av tusentals atomer (gula sfärer) inbäddade i en halvledare (blå sfärer). Trots denna komplexitet, fotonemissionsegenskaperna hos kvantpunkter har hittills antagits vara som traditionella atomer, där en punktsändarbeskrivning är tillräcklig. På grund av deras mesoskopiska dimensioner, dock, punkt-emitter-beskrivningen avslöjas för att bryta ner genom att jämföra fotonemission från kvantpunkter med motsatta orienteringar i förhållande till en metallisk spegel.
Forskare från Quantum Photonics Group vid DTU Fotonik i samarbete med Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet överraskar den vetenskapliga världen med upptäckten att ljusemission från fasttillståndsfotonemitters, de så kallade kvantprickarna, är fundamentalt annorlunda än man hittills trott. Den nya insikten kan hitta viktiga tillämpningar som ett sätt att förbättra effektiviteten hos kvantinformationsenheter. Deras resultat publiceras den 19 december 2010 i Naturfysik .
Idag är det möjligt att tillverka och skräddarsy högeffektiva ljuskällor som sänder ut en enda foton åt gången, som utgör ljusets grundläggande enhet. Sådana utsändare kallas kvantprickar och består av tusentals atomer. Trots de förväntningar som återspeglas i denna terminologi, kvantprickar kan inte beskrivas som punktkällor för ljus, vilket leder till den överraskande slutsatsen:kvantprickar är inte prickar!
Denna nya insikt realiserades genom att experimentellt registrera fotonemission från kvantpunkter placerade nära en metallisk spegel. Punktljuskällor har samma egenskaper oavsett om de vänds upp och ner eller inte, och detta förväntades vara fallet för kvantprickar också. Dock, denna grundläggande symmetri visade sig vara kränkt i experimenten vid DTU där ett mycket uttalat beroende av fotonemissionen på orienteringen av kvantprickarna observerades.
De experimentella fynden stämmer utmärkt överens med en ny teori om ljus-materia-interaktion utvecklad av DTU-forskare i samarbete med Anders S. Sørensen från Niels Bohr Institutet. Teorin tar hänsyn till kvantprickarnas rumsliga utsträckning.
Vid metallspegelytan, mycket begränsade optiska ytmoder existerar; de så kallade plasmonerna. Plasmonik är ett mycket aktivt och lovande forskningsfält, och den starka inneslutningen av fotoner, tillgänglig i plasmonics, kan ha ansökningar om kvantinformationsvetenskap eller solenergiskörd. Den starka inneslutningen av plasmoner innebär också att fotonemission från kvantprickar kan förändras kraftigt, och att kvantprickar kan excitera plasmoner med mycket stor sannolikhet. Det föreliggande arbetet visar att exciteringen av plasmoner kan vara ännu effektivare än man tidigare trott. Det faktum att kvantprickar sträcker sig över områden som är mycket större än atomdimensionerna innebär att de kan interagera mer effektivt med plasmoner.
Arbetet kan bana väg för nya nanofotoniska enheter som utnyttjar den rumsliga omfattningen av kvantprickar som en ny resurs. Den nya effekten förväntas bli viktig även inom andra forskningsområden än plasmonik, inklusive fotoniska kristaller, kavitets kvantelektrodynamik, och lätt skörd.
