*

Hannu A. Sinivirta

Fotoneja yksitellen spektri- ja ilmastoanalyyseihin

  • Fotoneja yksitellen huoneen lämmössä
    Fotoneja yksitellen huoneen lämmössä
  • Yksittäisiä fotoneja yksi kerrallaan
    Yksittäisiä fotoneja yksi kerrallaan

(16.8.2017) Los Alamos National Laboratory on tuottanut ensimmäisen tunnetun materiaalin, joka kykenee yksittäisen fotonin emissioon huoneen lämpötilassa ja televiestinnän aallonpituuksilla. Nämä hiilinanoputken kvanttitason valoemitterit voivat olla tärkeitä optiikkaan perustuvalle kvantti-informaation prosessoinnille ja tietoturvallisuudelle.

Tähän mennessä materiaaleja, jotka voisivat toimia yksittäisien fotonien emittereinä näillä aallonpituuksilla, on täytynyt jäähdyttää nestemäisiin heliumlämpötiloihin.

Kriittinen läpimurto tässä työssä oli työryhmän kyky pakottaa nanoputki emittoimaan valoa yhdestä pisteestä pitkin putkea ja vain vikakohdasta eli rajoittaa vikojen määrä vain yhteen per putki.

Valoa lähettämällä vain yksi fotoni kerrallaan voidaan sitten hallita fotonien kvanttiominaisuuksia informaation tallentamiseen, manipuloimiseen ja siirtämiseen.

Toteutuksessa tutkijat käyttivät kemiallista prosessia, jossa orgaaninen molekyyli saatiin sitoutumaan nanoputken pinnalle toimimaan tarkoituksenmukaisena vikakohtana.

Sopivan aallonpituuden valinta fotonille perustui valitsemalla sopivan halkaisijan omaava nanoputki. Nämä hiilinanoputkiset kvanttitason valoemitterit voivat olla erittäin tärkeitä myös ultrasensitiiviseen tunnistukseen, metrologian ja kuvantamistarpeiden kannalta sekä fotonilähteinä kvanttioptiikan kehityksessä.

 

Hieman historiaa:

(5.9.2012) Tietoliikenteen salaus kvanttitekniikan avulla perustuu yksittäisten fotonien polarisointiin ja siihen, että polarisaation kopiointi tuhoaa kyseisen tilan jolloin vastaanottaja huomaa heti jos linjaa salakuunnellaan.

Nykyisissä kaupallisissa järjestelmissä yksittäisiä fotoneja tuotetaan heikennetyllä laserilla, jonka satunnaisuus tuottaa useampia fotoneja kerrallaan ja antaa näin salakuuntelijoille mahdollisuuden.

Nyt Würzburgin Münchenin ja Stuttgartin yliopistojen fyysikot ovat onnistuneet puolijohteisia nanorakenteita käyttäen tuottamaan yksittäisiä fotoneja sähköpulssilla ohjattuna ja siirtämään niitä kvanttikanavan kautta.

Uusi fotonilähde rakentuu puolijohteista valmistetuista nanorakenteista, jotka on integroitu mikroresonaattoriin. Tällainen rakenne emittoi vain yhden fotonin kerrallaan.

Ratkaisullaan fyysikot onnistuivat myös toteuttamaan yksifotonisen kvanttiviestinnän ilmassa Münchenin kattojen yllä noin 500 metrin matkalle. Tämä ei vielä riitä joten he ja monet muut tutkijaryhmät jatkavat tutkimuksiaan kehittääkseen kvanttitoistimien rakennelohkoja.

MIT ja Harvardin tutkijat ovat puolestaan onnistuneet tuottamaan yksittäisien fotonien virran järjestelmällä, jonka avulla on jo aiemmin onnistuttu hidastamaan valon kulkua.

Tämä saadaan aikaan johtamalla lasersäde tiheän ultrakylmän atomipilven läpi. Tämä pilvi on yleensä valoa läpäisemätöntä, mutta toisella lasersäteellä pilvi saadaan tilaan, jossa fotonit kulkevat hitaammin ja nyt on onnistuttu järjestämään niin, että pilvestä tulee ulos vain yksi fotoni kerrallaan.

Tämän tutkijaryhmän mukaan järjestelmä voisi johtaa yhden fotonin kytkimen kehittämiseen ja sitä voisi käyttää myös kvanttitoimisien logiikkaporttien luomiseen, mikä olisi olennainen osa täysin optista kvanttilaskentajärjestelmää.

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

1Suosittele

Yksi käyttäjä suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelija

NäytäPiilota kommentit (6 kommenttia)

Käyttäjän rjaaskel kuva
Risto Jääskeläinen

Kun lähetetään (hallitusti) vain yksi fotoni kerrallaan, siinä ollaan päästy jo tietynlaiselle rajalle. Puolia fotoneja ei niinkään helposti lähetellä. Optimointia voinee olla vielä jäljellä taajuuden suhteen ja ehkä nanoputkien koon osalta.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kyllä. Normaalisti fotonit emittoituvat kvantittuneesti Planckin vakion suuruisina energiakvantteina, paketteina.

Koska fotonilla on valtava liike-energia, tähän asti ei olla kyetty hidastamaan sen vauhtia kovin merkittävästi. Hidastamalla fotoneja esim. atomipilven ja Laserin avulla (viritys), kvantittuminen voidaan "jakaa" yksittäin.

Nanoputket ovat jo nyt äärimmäisen pieniä ja olettaisin, että pienentäminen alkaa olla äärimmillään.

Minusta tämä menetelmä jo nyt, avaa huomattavia mahdollisuuksia esim. fotometriikassa. Päästään äärimmäisen tarkkaan erottelukykyyn, eri tyyppisissä analyyseissa.

Tästä voi avautua ihan uusia sovelluksia myös ilmastotutkimuksessa.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Yksittäisen fotonin emissiota ja myös absorbtiota voi soveltaa mm. ilmakehässä ja pilvissä hyvin tarkasti. Pienimmätkin kasvihuonekaasujen hiukkas-pitoisuudet saadaan paremmin eroteltua absorbanssi-mittauksina ja reagensseina, suoraan ilmakehän läpi.

Avaruuden taustasäteily vaikuttaa vesipisaroiden syntymekanismiin ja pilvien muodostumiseen. Näin ollen tämä prosessi säätelee osaltaan ilmaston lämpenemisen ja jäähtymisen suhdetta. Tätä voitaisiin monitoroida ja mallintaa reaaliajassa myös laboratorio-olosuhteissa erittäin tarkasti ja toistettavuus olisi huippuluokkaa.

Myös veden eri olomuodoista saadaan tarkemmat analyysit.

Spektrianalyyseissa, yksittäisen fotonin emissiota ja absorbtiota voi soveltaa erilaisten yhdisteiden ominaisuuksissa, vaikuttaa lämpötilamuutoksiin (∂T).

Parempi tarkkuus ja erottelukyky käytännössä tarkoittaisi sitä, että ennustettavuus ilmastonmuutoksessa paranisi monta dekadia.

Käyttäjän HeikkiRinnemaa kuva
Heikki Rinnemaa

:)

Atomillehan aikoinaan keksittiin kuvallinen muoto-rakenne, tässä linkissä esimerkkejä,
https://www.google.fi/search?q=atomi&client=firefo...

Ja koska atomi pyrkii kuvaamaan aineen joka on olemassa, muotoa-rakennetta, niin ilmeisesti fotonillakin pitäisi tällainen muoto-rakenne olla ollakseen olemassa?
Onkohan tätä kukaan piirustanut?
Ja mihin kohtaan se tuota atomin muoto-rakenteen osaa tuo fotoni sijoittuisi,,edellyttäen että jos se on osa atomi-rakennetta,,

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Fotonilla ei ole lepomassaa. Fotonin massa liittyy yksinomaan liike-energiaan, jonka se saa eletroni-fotoni vuoroparissa, atomin viritystilassa.

Fotoni on säteilykvantti, kun atomin sidosenergiaa vapautetaan yhdellä ylimääräisellä elektronilla (valenssi).

Kuvallisia esitystapoja on valitettavan vähän olemassa. Kukaan ei vielä tähän mennessä ole saanut fotonia tai atomia havainnollistetuksi sellaisenaan kun se todellisuudessa on, -paitsi Bohrin malli.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Mutta tuohon blogin aiheeseen.

Fotonien kvantti-ominaisuuksia voi todellakin soveltaa myös erityyppisten näytteiden analysoimiseen ja juuri ilmakehän profiilin analysoimiseen. Pienimmätkin muutokset antavat ikäänkuin ennakkoa tuleviin muutoksiin.
Ennusteet paranevat ja tiedämme hyvissä ajoin, mitkä ihmisen aiheuttamat yhdisteet reagoivat ilmakehässä ja millä vauhdilla.

Toimituksen poiminnat

Tämän blogin suosituimmat kirjoitukset