Som omtalt i mit seneste indlæg er jeg for nylig rejst til Schweiz, nærmere bestemt Lausanne, hvor jeg i et par måneder besøger École Polytechnique Fédérale de Lausanne, eller bare EPFL, som del af mit ph.d.-projekt på DTU Fotonik.
På EPFL er jeg gæste-ph.d.-studerende hos Laboratory of Physics of Nanostructures (LPN), som ledes af professor Eli Kapon, der sidste år besøgte DTU.
"Quantum Wire and Dot Systems for Quantum Nanophotonics". Talk by Prof. Eli Kapon tomorrow @DTUtweet. http://t.co/K322eZVqOZ #Research— Jakob R. de Lasson (@Jakobrdl) 12. februar 2014LPN er primært en eksperimentel forskningsgruppe, som er specialiseret i fremstilling og eksperimentel karakterisering af nanostrukturer, herunder specielt nanolyskilder som f.eks. kvantepunkter (quantum dots) og kvantetråde (quantum wires). Ligeledes støttes det nye NATEC forskningscenter, som har deltagelse af grupper fra DTU Fotonik, DTU Mekanik og DTU Elektro, af en række eksterne forskningspartnere, hvoraf LPN er én.
En specialitet hos LPN er såkaldte site-controlled kvantepunkter, altså kvantepunkter hvis position kontrolleres under fremstillingen. For at værdsætte vigtigheden af og det unikke i dette, først en smule baggrund.
Kvantepunkter er nanostrukturer (typisk med dimensioner i størrelsesordenen 10 nm til 50 nm), som er den tre-dimensionelle udgave af en kvantebrønd - altså et sted, hvor elektroner kan "fanges" i en potentialbrønd i alle tre rummelige retninger. Derfor har kvantepunkter diskrete energiniveauer, præcis som atomer har det jf. Bohrs atommodel. Og følgelig kaldes kvantepunkter sommetider for "kunstige atomer", fordi de spektralt har de samme typer af diskrete linjer som atomer.
Kvantepunkter fremstilles ofte vha. en såkaldt self-assembly proces: Materialerne, der skal udgøre kvantepunktet, blandes i gasform ved en passende temperatur, og kvantepunkterne danner sig herpå spontant som små "øer" af et materiale med et lavt båndgab - hvori elektronerne kan "fanges" - omsluttet af et materiale med et højt båndgab.
En ulempe ved denne proces er, at kvantepunkterne dannes spontant og på, mere eller mindre, tilfældige steder på substratet - dvs. deres position kontrollerer man ikke.
Hvis man f.eks. vil bruge kvantepunkterne som knudepunkter i et kvantekommunikationsnetværk - som Jeff Kimble (Ja, Den Store Kvantekanon) i 2008 foreslog i en Nature artikel - er det afgørende at kunne kontrollere deres position.
Ligeledes kan det være af stor betydning for implementeringen af enkelt-foton kilder i integrerede optiske kredsløb, at lyskildens - altså kvantepunktets - position kan styres.
Derfor er det særdeles interessant, at LPN har en praktisk teknik til at styre positionen af kvantepunkter under fremstilling - der leder til såkaldte site-controlled kvantepunkter.
(Clément Jarlov, M.Sc. thesis, EPFL (2012))
Specifikt foregår dette ved, at de i den membran, kvantepunkterne skal fremstilles i, laver et gitter af pyramidehuller (se illustrationen ovenfor).
(Clément Jarlov, M.Sc. thesis, EPFL (2012))
Herpå bringes denne pyramidehullede overflade i kontakt med de materialer, som skal danne kvantepunktet (se illustrationen ovenfor). Da forskellige flader på denne struktur - specielt den vandrette flade øverst og de vinklede flader i pyramidehullerne - krystallografisk set er forskellige flader, som de forskellige materialer binder forskelligt til, formes kvantepunkterne nede i pyramidehullerne (se illustrationen nedenfor).
(Clément Jarlov, M.Sc. thesis, EPFL (2012))
Og da pyramidehullerne er placeret, hvor man besluttede de skulle være, er kvantepunkterne nu placeret deterministisk og ikke tilfældigt.
Herefter kan man måle på kvantepunkterne, f.eks. deres position - dvs. i hvor høj grad de er præcis, hvor det var planen, at de skulle være - samt deres elektroniske og optiske egenskaber.
Mere interessant - i hvert fald fra mit synspunkt - kan man også komme disse positionskontrollerede kvantepunkter ind i nanofotoniske komponenter.
First presentation at @EPFL_en ready for tomorrow. #EPFL #PhD #Research #DTU #DTUFotonik #AcademiaLife pic.twitter.com/ounEx418Vu— Jakob R. de Lasson (@Jakobrdl) 12. januar 2015Idet egenskaberne af en kvantelyskilde, som f.eks et kvantepunkt, ikke udelukkende er intrinsiske, men kan påvirkes eksternt - f.eks. igennem den såkaldte Purcell effekt - er det at placere et kvantepunkt inden i f.eks. en fotonisk krystal et rigt problem med mange muligheder for fundamentalt interessante såvel som teknologisk brugbare fænomener.
Et eksempel på dette demonstrerede kolleger på Niels Bohr Instituttet i 2014, da de realiserede en effektiv enkelt-foton kilde ved at placere et (self-assembled) kvantepunkt i en optimeret fotonisk krystal bølgeleder.
Disse resultater er i sig selv imponerende, både hvad angår det forudgående teoretiske og eksperimentelle arbejde. Men hvis man ønsker et kvantenetværk med en mere kompleks arkitektur, hvor mere end ét kvantepunkt er i spil, er positionskontrollen helt afgørende - fordi man ikke i et sådant netværk bare kan placere kvantepunkter på tilfældige steder.
Netop derfor er det super interessant at have fået en fod indenfor hos LPN på EPFL, og jeg satser på at kunne bidrage til designs af de nanofotoniske strukturer, som de positionskontrollerede kvantepunkter skal placeres inden i.
Og hvem ved - måske baner disse en dag vejen for en kvantecomputer?
Nårh ja, og så er Lausanne og EPFL placeret i maleriske omgivelser, lige ved Genèvesøen og med frit udsyn til snebeklædte bjergtinder.
