Kvantiniai taškai nėra taškai

Mokslininkai iš Kvantinės Fotonikos grupės (Quantum Photonics Group), dirbančios DTU Fotonik firmoje, kartu su kolegomis iš Nilso Boro instituto (abu yra Danijoje) nustebino mokslinę visuomenę, atradę, kad kieto kūno fotonų spinduoliai, dar kitaip vadinami kvantiniais taškais, pasižymi visai kitokiomis savybėmis, nei buvo manyta iki šiol. Naujasis atradimas gali būti svarbus įvairiose srityse, pavyzdžiui, tobulinant kvantinės informacijos įrenginių efektyvumą. Šis darbas buvo atspausdintas gruodžio mėnesio 19 dienos „Nature Physics“ žurnale.

Šiandien fizikai gali pagaminti ir valdyti labai našius šviesos šaltinius, kurie spinduliuoja po vieną fotoną. Taip lyg sukuriamas fundamentinis šviesos vienetas. Tokie spinduoliai yra vadinami kvantiniais taškais ir jie yra sudaryti iš tūkstančių atomų. Nežiūrint į kvantinių taškų apibrėžimą, minėtame darbe parodyta, kad kvantiniai taškai negali būti aprašomi kaip taškiniai šviesos šaltiniai. Tai veda prie išvados, kad kvantiniai taškai nėra taškai.

Naujas supratimas, aiškinantis kvantinių taškų savybes, buvo gautas registruojant fotonų spinduliavimą iš kvantinių taškų, esančių arti metalinio veidrodžio. Taškiniai šviesos šaltiniai turi turėti lygiai tokias pačias savybes ar jie būtų apversti aukštyn kojom ar nebūtų. Taip pat tokios pačios savybės yra priskiriamos kvantiniams taškams. Tačiau ši fundamentinė savybė buvo pažeista atlikto eksperimento metu, kai buvo stebėta labai aiški fotonų emisijos priklausomybė nuo kvantinių taškų orientacijos. Atliktas eksperimentas labai gerai dera su nauja šviesos ir medžiagos sąveikos teorija, išvystyta tyrėjų, dirbančių „DTU Fotonik“ firmoje, kartu su Andersu Sorensenu iš Nilso Boro instituto. Teorija atsižvelgia į erdvinį kvantinių taškų išsidėstymą.

Metalinio veidrodžio paviršiuje egzistuoja stipriai izoliuotos optinio paviršiaus modos, taip vadinami plazmonai. Plazmonus galima įsivaizduoti kaip kolektyvinius elektronų dujų tankio virpesius. Plazmonika yra labai stipriai besivystanti ir daug žadanti tyrimų sritis. Manoma, kad stiprus fotonų įkalinimas metalo paviršiuje gali būti pritaikytas kvantinei informacijai saugoti bei valdyti, o taip pat saulės energijos rinkimui. Kadangi plazmonai yra surišti su metalo paviršiumi, fotonų spinduliuotė iš kvantinių taškų gali būti stipriai veikiama šių plazmonų. Dėl šios priežasties, yra labai didelė tikimybė kvantiniams taškams sužadinti plazmonus. Atliktas eksperimentas pademonstravo, kad plazmonų sužadinimas gali būti žymiai efektyvesnis, nei anksčiau buvo priimta manyti. Faktas, kad kvantinių taškų matmenys yra didesni, nei atominiai, reiškia, kad jie efektyviau sąveikauja su plazmonais.

Šis darbas gali būti naujų nanofotoninių įrenginių paieškų kelio pradžia. Šie įrenginiai išnaudotų kvantinių taškų erdviškumą kaip naują, bet neįprastą šaltinį. Atrastasis efektas, manoma, galėtų būti svarbus ne tik fotonikoje, bet ir kitose tyrimų srityse, tokiose kaip fotoniniai kristalai ar kvantinių kompiuterių kūrimas.