Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 18 – vyšlo 2. května, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

18/2005

Kvantové tečky a jednofotonové součástky

Martin Žáček

Jak to všechno začalo? V roce 1959 přednesl americký fyzik Richard Feynman při příležitosti zasedání Americké fyzikální společnosti na Kalifornské technologické univerzitě přednášku s názvem „There’s Always Room at the Bottom“ (Tam dole je stále místo). Položil v ní základy nového oboru fyziky, nanotechnologieNanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů., když během přednášky nastínil na tehdejší dobu poněkud odvážné vize, které mikrosvět atomů nabízí. Mnozí jeho kolegové si v té době možná mysleli, že stárnoucí vědec již asi začíná přicházet o zdravý rozum, ale vývoj v dalších letech dal Feynmanovi jednoznačně za pravdu. Vývoj v nanotechnologii podporovala zejména rychle se vyvíjející mikroelektronika založená na polovodičových strukturách, ale také to byly jiné obory, jako například fullerenová fyzika založená na uhlíku. Značný pokrok znamenal také vývoj nových typů zařízení pro diagnostiku a manipulaci s atomy, jako například vynález tunelového mikroskopuSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. .

Tím, jak se dokážeme díky pokrokům v nanotechnologii přibližovat zvládnutím výroby stále menších struktur jednotlivým částicím, z nichž je složena všechna hmota okolo nás, vcházíme mnohem těsněji do světa kvantové mechaniky, v němž platí odlišné a z pohledu naší zkušenosti velmi podivné zákony. Naučili jsme se například již pracovat s jednotlivými ionty či dávkovat elektrický proud po jednotlivých elektronech. Podobné experimenty se v poslední době také daří provádět s fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., kvanty elektromagnetického záření. Využívají se k tomu tzv. kvantové tečkyKvantová tečka – quantum dot, ohraničená oblast polovodiče o průměru jednotek až desítek nanometrů a výšce do deseti nanometrů, která je schopná vázat elektrony v důsledku nižší energie vodivostního pásu ve srovnání s okolním polovodičem. Tyto elektrony mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie. Jde vlastně o uměle vytvořenou kvantovou potenciálovou jámu modifikovatelné hloubky. Například v GaAs se dno vodivostního pásu nachází na nižší energetické hladině než dno vodivostního pásu AlGaAs. Obklopíme-li mikroskopický kousek GaAs (o velikosti několika nm) materiálem AlGaAs, vodivostní elektron uvnitř GaAs bude uvězněn v trojrozměrné potenciálové jámě, jejíž parametry se dají přesně nastavit při výrobním procesu. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony.. O nich a o jejich aplikacích bude podrobněji pojednáno v následujících odstavcích.

Kvantová tečka – quantum dot, ohraničená oblast polovodiče o průměru jednotek až desítek nanometrů a výšce do deseti nanometrů, která je schopná vázat elektrony v důsledku nižší energie vodivostního pásu ve srovnání s okolním polovodičem. Tyto elektrony mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie. Jde vlastně o uměle vytvořenou kvantovou potenciálovou jámu modifikovatelné hloubky. Například v GaAs se dno vodivostního pásu nachází na nižší energetické hladině než dno vodivostního pásu AlGaAs. Obklopíme-li mikroskopický kousek GaAs (o velikosti několika nm) materiálem AlGaAs, vodivostní elektron uvnitř GaAs bude uvězněn v trojrozměrné potenciálové jámě, jejíž parametry se dají přesně nastavit při výrobním procesu. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony. LED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. Polem řízený tranzistor – FET, Field Effect Transistor, polem řízený tranzistor. Tranzistor pracující na základě změny vodivosti v proudovém kanálu, způsobené změnou elektrického pole. Velikost elektrického pole lze měnit elektrickým potenciálem na řídicí elektrodě. QDFET – Quantum Dot Field Effect Transistor, fotoelektrická polovodičová součástka vzniklá modifikací tranzistoru FET přidáním vrstvy s kvantovými tečkami. Tranzistorem QDFET lze detekovat jednotlivé fotony. Fotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. Lavinová fotodioda – AVD (AValanche Photodiode), polovodičová součástka využívající lavinového efektu – prudké nárazové ionizace v závěrném směru. Vznik laviny je iniciován dopadem světla. Pracuje v impulzním režimu. Materiály používané pro lavinové fotodiody jsou nejčastěji Ge, Si a InGaAs. TREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge.

Kvantové tečky – struktury na pomezí mikro a makrosvěta

Technika nanášení povrchových vrstev ve vakuu je jednou z metod výroby mikrostruktur různého druhu. V mikroelektronice, v kombinaci s optickými nebo elektronovými litografickými metodami, se tak daří vytvářet na monokrystalickém polovodičovém substrátu velmi malé struktury. Technologií MEMS umíme vytvářet nejen tranzistory a jiné elektronické součástky, ale i miniaturní, mechanicky se pohybující prvky, sloužící jako optické přepínače, rezonátory atd. Tato technologie však má své fyzikální limity, dané vlnovou délkou použitého světla. Při jejím snižování jsme totiž zase nuceni přejít na ultrafialovou optiku, která je náročnější a nákladnější a vlnovou délku navíc nemůžeme snižovat libovolně. Při rozlišovací schopnosti blížící se vzdálenosti atomů bychom se totiž dostali do oblasti rentgenového záření, kde však již nejsou k dispozici potřebné zobrazovací metody. Podobně bychom narazili na jiné principiální obtíže v případě elektronové litografie. Navíc, zmenšování struktur za účelem zvýšení hustoty součástek na čipu je spojeno s dalšími překážkami, které je nutno řešit, jako je například odvod tepla z čipu, jak to známe u stále výkonnějších mikroprocesorů.

Druhý důvod ke zmenšování vytvářených vrstevnatých struktur je ovšem jiný, u něj jde o získání nových vlastností, daných kvantovou mechanikou. O výzkumu zaměřeném na tzv. nanoclustery jsme se zmiňovali v jenom z předchozích bulletinů. V evropském výzkumném středisku Toshiba Research Europe Limited (TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge.) společně s Cavendish Laboratory, University of Cambridge, se do světa miniaturních prvků s kvantovými vlastnostmi vydali jinou cestou. Speciální technologií vytvářejí místo spojité vrstvy tzv. kvantové tečkyKvantová tečka – quantum dot, ohraničená oblast polovodiče o průměru jednotek až desítek nanometrů a výšce do deseti nanometrů, která je schopná vázat elektrony v důsledku nižší energie vodivostního pásu ve srovnání s okolním polovodičem. Tyto elektrony mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie. Jde vlastně o uměle vytvořenou kvantovou potenciálovou jámu modifikovatelné hloubky. Například v GaAs se dno vodivostního pásu nachází na nižší energetické hladině než dno vodivostního pásu AlGaAs. Obklopíme-li mikroskopický kousek GaAs (o velikosti několika nm) materiálem AlGaAs, vodivostní elektron uvnitř GaAs bude uvězněn v trojrozměrné potenciálové jámě, jejíž parametry se dají přesně nastavit při výrobním procesu. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony. s pozoruhodnými vlastnostmi. Kvantová tečka je ohraničená vodivá oblast velmi malých rozměrů, jen několik nanometrů. Elektrony uvězněné uvnitř pak vykazují kvantové vlastnosti, které ve velkých objemech polovodičů jinak nepozorujeme. Především, množství elektronů v kvantové tečce je omezeno. Dále se využívá skutečnosti, že energie elektronu nacházejícího se uvnitř je kvantována a může nabývat pouze diskrétních hodnot. Pro tuto vlastnost se o kvantových tečkách někdy hovoří jako o umělých atomech. Díky svým vlastnostem umožňují kvantové tečky konstruovat součástky, s nimiž lze manipulovat s jednotlivými elektrony, u optoelektronických součástek pak s jednotlivým fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.. Kvantové tečkyKvantová tečka – quantum dot, ohraničená oblast polovodiče o průměru jednotek až desítek nanometrů a výšce do deseti nanometrů, která je schopná vázat elektrony v důsledku nižší energie vodivostního pásu ve srovnání s okolním polovodičem. Tyto elektrony mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie. Jde vlastně o uměle vytvořenou kvantovou potenciálovou jámu modifikovatelné hloubky. Například v GaAs se dno vodivostního pásu nachází na nižší energetické hladině než dno vodivostního pásu AlGaAs. Obklopíme-li mikroskopický kousek GaAs (o velikosti několika nm) materiálem AlGaAs, vodivostní elektron uvnitř GaAs bude uvězněn v trojrozměrné potenciálové jámě, jejíž parametry se dají přesně nastavit při výrobním procesu. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony. mají tendenci chovat se jako past pro elektrony, neboť mají nižší úroveň energie než je hodnota vodivostního pásu okolního polovodičového materiálu. Každá tečka však má omezenou kapacitu závisející na rozměru tečky, neboť uvězněné elektrony působí na okolní elektrony zápornou silou, způsobenou jejich záporným nábojem.

Vrstva kvantových teček z materiálu InAs, zobrazená metodou AFMMikroskop atomárních sil – AFM (Atomic Force Microscope). Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. AFM mikroskop není omezen na vodivé materiály jako STM mikroskop. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 G. Binnigem, C. Quatem a C. Gerberem..
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

Výroba kvantových teček

Pro plné využití kvantových teček jako kvantových objektů s jednodimenzionálními vlastnostmi je důležité, aby jednotlivé hladiny jejich energetického spektra byly od sebe vzdáleny mnohem více, než odpovídá tepelné energii fononů Fonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce. krystalové mříže, tj. asi 25 meV za pokojové teploty. Pokud toto není splněno, elektrony v kvantové tečce mohou přeskakovat mezi jednotlivými hladinami vlivem tepelného šumu a očekávané nové, kvantově-jednodimenzionální vlastnosti jsou ztracené. Dostatečně hrubé energetické spektrum vznikne až tehdy, podaří-li se kvantové tečky vyrobit s velmi malými, nanometrovými rozměry. Klasickými metodami, běžnými v mikroelektronice mikronového a submikronového rozlišení, jako napařování vrstev optickou či elektronovou litografií, se kvantové tečky potřebných rozměrů nedařilo připravit. Očekávané vlastnosti se sice dostavily, ale pouze za velmi nízkých teplot, pod 77 K, což byla zásadní překážka pro široké využití této technologie.

Během 90. let se však několika výzkumným skupinám podařilo vyvinout alternativní přístup, umožňující vznik polovodičových teček na povrchu substrátu v případě vhodného poměru rozdílných mřížkových konstant obou materiálů. Nejintenzivněji se zkoušely materiály InAs a GaAs. Při tomto postupu roste nanášená vrstva nejprve se značným mechanickým napětím, po dosažení kritické tloušťky několika monovrstev se nanášené atomy začnou shromažďovat ve shlucích, čímž se minimalizuje napětí. Takový stav pro případ vrstvy InAs na povrchu GaAs je zachycen na předchozím obrázku pořízeném mikroskopem využívajícím atomární síly (AFMMikroskop atomárních sil – AFM (Atomic Force Microscope). Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. AFM mikroskop není omezen na vodivé materiály jako STM mikroskop. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 G. Binnigem, C. Quatem a C. Gerberem.). Další pokračování výrobního postupu spočívá v nanesení vrstvy ze stejného materiálu jako substrát, v tomto případě GaAs, a kvantové tečky se tak objemově zapouzdří ze všech stran.

Znázornění postupného vzniku vrstvy InAs s kvantovými tečkami.
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

Optoelektrické součástky využívající kvantové tečky

Jednofotonová, světlo emitující dioda

Pro některé aplikace, obzvláště v nastupujícím novém odvětví informatiky – kvantové kryptografii, je potřeba generovat tak jemné světelné impulsy, že jejich energie odpovídá energii jednotlivých fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.. Důvod je například ten, že i ty nejkratší a nejslabší laserovéLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. impulsy, které se pro přenos dat po optickém vlákně obecně používají, obsahují podle Poissonovy statistiky vždy shluk několika fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.. Bylo prokázáno, že tento způsob předávání dat není nepodmíněně bezpečnýNepodmíněná bezpečnost – znamená vysokou bezpečnost utajení, která není podmíněna žádnými předpoklady na schopnosti a technické možnosti útočníka. Takovou míru bezpečnosti dnes nabízí kvantová kryptografie a Vernamova šifra. a že u něho mohou existovat některé druhy úspěšných útoků. Idea, jak emitovat jediný fotonFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., je v případě kvantových teček stejná jako u jednoduchého Bohrova atomového modelu. Pokud se podaří dodáním energie excitovat elektron nacházející se v kvantové tečce a ten následně relaxuje zpět na hladinu nižší, vyzáří fotonFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. o energii rovnající se rozdílu obou hladin. Totéž může nastat v případě, kdy v kvantová tečka s neobsazenou hladinou zachytí volný elektron z vodivostního pásu, což je mechanismus ekvivalentní rekombinaci u ionizovaných plynů. Musí se však zajistit, aby světlo emitovala právě jedna kvantová tečka a aby emitovala fotonFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. v žádoucím okamžiku. Konstrukce jednofotonové LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. je založena na modifikaci dosavadní struktury LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. vrstvou s kvantovými tečkami, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Emise je umožněna pouze malým otvorem, v obrázku zakresleném jako emisní plocha, v ideální případě z jediné kvantové tečky nacházející se pod otvorem. Ostatní kvantové tečky jsou zastíněny neprůhlednou vrstvou.

Znázornění struktury jednofotonového emitoru využívajícího kvantové tečky.
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

První experimenty s jednofotonovu LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. proběhly již v roce 2001. Za teploty 5 K byla proměřena emisní spektra v závislosti na procházejícím proudu. Již při proudu menším než 20 nA byla naměřena emise monochromatického záření s energií 1,3942 eV, což odpovídá vlnové délce 889 nm spadající do infračervené oblasti. Speciálně navržené korelační experimenty se dvěma detektory prokázaly, že v tomto případě součástka emituje skutečně jednotlivé fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. po sobě, nikoliv ve shlucích jako je tomu u laserovýchLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. pulsů. Jejich emisi lze řídit jemnými proudovými pulsy a fotony se dařilo emitovat oddělené až do frekvence budících pulsů 200 MHz.

Naměřené spektrum jednofotonové LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. v závislosti na procházejícím proudu. X je spektrální čára odpovídající rekombinaci jednoho excitonu, X₂ je druhá spektrální čára, objevující se v případě dvoufotonové emise při rekombinaci biexcitonu. Barevná stupnice vpravo odpovídá intenzitě emitovaného světla v logaritmickém měřítku.
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

Pokud se podaří v kvantové tečce excitovat dva elektrony najednou, jejich návrat do původního stavu vede k současné emisi dvou fotonů s blízkými vlnovými délkami. V laboratoři TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge. vědci studovali spin takto emitovaných párů fotonů a zjistili, že jejich polarizace jsou značně korelované. Tato vlastnost umožňuje generovat bity náhodného klíče zakódované přímo v jejich polarizaci. V jediné součástce tak dostaneme zároveň dokonalý fyzikální náhodný generátor, což je jeden z předpokladů nepodmíněné bezpečnosti datového přenosu.

Jednofotonový detektor

Nová metoda detekce jednotlivých fotonů spočívá v modifikaci tranzistoru FETPolem řízený tranzistor – FET, Field Effect Transistor, polem řízený tranzistor. Tranzistor pracující na základě změny vodivosti v proudovém kanálu, způsobené změnou elektrického pole. Velikost elektrického pole lze měnit elektrickým potenciálem na řídicí elektrodě. přidáním vrstvy kvantových teček paralelně k proudovému kanálu. Vzniklá součástka se označuje QDFETQDFET – Quantum Dot Field Effect Transistor, fotoelektrická polovodičová součástka vzniklá modifikací tranzistoru FET přidáním vrstvy s kvantovými tečkami. Tranzistorem QDFET lze detekovat jednotlivé fotony.. Vrstva s kvantovými tečkami musí být vzdálena od proudového kanálu velmi málo, jen několik nanometrů. Pak přítomnost záporného náboje elektronů zachycených v kvantových tečkách ovlivňuje proud kanálem tranzistoru a citlivost lze nastavit tak, že uvolnění jediného elektronu z kvantové tečky změní velikost protékajícího proudu o měřitelnou hodnotu. Elektron je uvolněn zachycením díry, po předchozí generaci páru elektron-díra jako důsledek pohlcení fotonu.

Znázornění struktury jednofotonového detektoru QDFET využívajícího kvantové tečky.
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

V porovnání s klasickými citlivými detektory, jako jsou například fotonásobičeFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu., popřípadě jejich polovodičová obdoba lavinové fotodiodyLavinová fotodioda – AVD (AValanche Photodiode), polovodičová součástka využívající lavinového efektu – prudké nárazové ionizace v závěrném směru. Vznik laviny je iniciován dopadem světla. Pracuje v impulzním režimu. Materiály používané pro lavinové fotodiody jsou nejčastěji Ge, Si a InGaAs., mají jednofotonové detektory vyšší dynamický rozsah a nevyžadují k provozu vysoké napětí. První vyrobené vzorky již měly vyšší kvantovou účinnost než vakuové fotonásobičeFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. a menší šum než lavinové fotodiodyLavinová fotodioda – AVD (AValanche Photodiode), polovodičová součástka využívající lavinového efektu – prudké nárazové ionizace v závěrném směru. Vznik laviny je iniciován dopadem světla. Pracuje v impulzním režimu. Materiály používané pro lavinové fotodiody jsou nejčastěji Ge, Si a InGaAs.. Také odpadá mrtvá doba nutná k odeznění laviny, jíž jsou zmíněné dosavadní typy detektorů zatíženy. Konstrukce fotonásobičůFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. je také složitější, neboť jde o vakuové součástky, které jsou větší a náchylnější na poškození.

Na následujícím obrázku je graficky znázorněna časová závislost vodivosti kanálu fototranzistoru QDFETQDFET – Quantum Dot Field Effect Transistor, fotoelektrická polovodičová součástka vzniklá modifikací tranzistoru FET přidáním vrstvy s kvantovými tečkami. Tranzistorem QDFET lze detekovat jednotlivé fotony. s kvantovými tečkami za velmi slabého osvětlení pomocí LED, jíž protéká proud 2 mA. Před osvětlením byl aplikován proudový impuls, zajišťující nízkou počáteční vodivost tranzistoru způsobenou zachycenými elektrony v kvantových tečkách. Experimentální data byla pořízena za teploty kapalného helia 4,2 K, podobný průběh však lze zaznamenat při teplotě kapalného dusíku 77 K. V principu však nic nebrání aby detektor mohl pracovat při teplotě kolem 200 K, která může být trvale udržována termoelektrickým chladičem. Skoky v průběhu jsou způsobeny pohlcením jednotlivých fotonů a na derivaci průběhu (horní křivka) lze tyto změny bezpečně odlišit od šumového pozadí.

Závislost vodivosti na čase u jednofotonového detektoru.
Zdroj: TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge..

Účinnost detekce u prvních vyrobených struktur byla jen asi 1 %, což je hodnota srovnatelná s fotonásobičiFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu., ale menší než je u nejlepších lavinových diodLavinová fotodioda – AVD (AValanche Photodiode), polovodičová součástka využívající lavinového efektu – prudké nárazové ionizace v závěrném směru. Vznik laviny je iniciován dopadem světla. Pracuje v impulzním režimu. Materiály používané pro lavinové fotodiody jsou nejčastěji Ge, Si a InGaAs.. Avšak je několik možností, jak účinnost tohoto prvního prototypu zlepšit. Přibližně 75 % dopadajícího světla je totiž odraženo kovovou elektrodou představující řídící hradlo a z části která projde, je pouze 5 % pohlceno vrstvou s kvantovými tečkami. Podle posledních výsledků publikovaných v roce 2004 bylo dosaženo účinnosti detekce 14 %. Andrew Shields, vedoucí projektu z výzkumného centra TRELTREL – Toshiba Research Europe Limited – Evropská laboratoř firmy Toshiba Europe. Vedení laboratoře je v Cambridge., je však přesvědčen, že lze v krátké době očekávat výrazné zlepšení účinnosti detekce až na 65 %.

Použití jednofotonových součástek

Jediné kvantum světla představuje mimořádně tmavý signál. Pro srovnání uveďme, že 100 W žárovka emituje každou vteřinu 10¹⁹ fotonů. Registrace dopadu jednotlivých fotonů tedy poskytuje optimální metodu měření velmi slabých optických signálů, neboť odpadá nutný přídavný šum vzniklý v důsledku zesilování signálu. Technika jednofotonové detekce umožňuje podstatně zlepšit různé druhy zobrazovacích technik pro rentgenové záření, záření radioizotopů, a dalších druhů záření a přináší tak nové možnosti v široké oblasti aplikací v lékařské diagnostice a v analytické chemii a v mnoha jiných oblastech. Celá řada možných použití se nabízí v měřicí technice za použití laserůLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., při měření vzdálenosti a polohy. Hlavní oblast použití jednofotonových součástek však spadá do oblasti výměny dat a to především pro prakticky dokonale bezpečný přenos šifrovacího klíče v kvantové kryptografii (viz bulletin 14/2005). Při této metodě je využíváno kvantových zákonů, podle nichž, provedeme-li měření objektu, změníme tím nutně jeho stav. Pomocí speciálního protokolu předávání dat a ověřování úspěšnosti přenosu lze pak prakticky s jistotou ověřit, zda je přenosový kanál odposloucháván. Tato metoda však vylučuje použití zesilovačů signálu v přenosové cestě, neboť zde není možná detekce optického signálu a opětná emise po zesílení bez ovlivnění kvantového stavu. Proto je nutné použití speciálních emitorů a co možná nejcitlivějších detektorů. Vývoj optoelektronických součástek založených na kvantových tečkách je na slibné cestě, jak tyto náročné požadavky splnit. Očekává se, že v blízké budoucnosti budeme mít technologii, která umožní levné a nenáročné použití jednofotonových součástek v telekomunikaci a v mnoha dalších oborech.

Odkazy