Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением

Физики экспериментально продемонстрировали связь между антигруппировкой одиночных фотонов и некогерентной составляющей излучения квантовой точки. Для этого они изучали спектры излучения источника одиночных фотонов и следили за их антигруппировкой при использовании разных спектральных фильтров в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса. Работа принята к печати в Physical Review Letters, препринт доступен на arXiv.org.

Источники одиночных фотонов на квантовых точках интересны не только применением в квантовой оптике и квантовых вычислениях, но и как отдельный объект для исследований. Квантовая точка — это двухуровневая система, в которой электрон может переходить с нижнего уровня на верхний и обратно с поглощением или испусканием фотона. Для того, чтобы квантовая точка могла излучать фотоны, необходимо перевести электрон с нижнего уровня на верхний. Чаще всего квантовые точки накачивают тоже фотонами, для чего используют лазерное излучение. В зависимости от мощности и спектральных характеристик накачки можно наблюдать разные режимы генерации излучения от квантовых точек.

Явление антигруппировки помогает удостовериться в том, что квантовая точка генерирует одиночные фотоны. Излучение одиночных фотонов отличается от когерентного излучение тем, что во втором случае фотоны могут лететь не только по одному, но и группами. Это легко проверить, если разделить пучок на света на светоделителе и измерять время прихода фотонов в каждом плече с помощью однофотонных детекторов. В случае антигруппировки, одиночный фотон, который приходит на светоделитель, пойдет либо в одно плечо схемы, либо в другое. То есть детекторы всегда будут кликать по очереди и никогда не кликнут одновременно. Если в такой схеме фотоны приходят одновременно, то это значит, что изначально они рождались группами, а не отдельно каждый. Такой эксперимент называется экспериментом Хэнбери Брауна — Твисса и нужен для проверки однофотонных источников.

Группа ученых из Мюнхенского технологического университета, шведского Королевского технологического института, Российского квантового центра и ряда других организаций под руководством Клауса Йонса (Klaus Jöns) экспериментально показала связь антигруппировки фотонов с наличием нерезонансного излучения и изучила эволюцию генерируемого квантовой точкой состояния в зависимости от мощности накачки.

Для эксперимента авторы использовали источник одиночных фотонов на квантовых точках из арсенида галлия. Они облучали его лазером с разными мощностями и наблюдали за антигруппировкой фотонов в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса, а параллельно следили за спектром генерируемого излучения.

Если накачивать квантовую точку слабым резонансным сигналом, то она будет переизлучать несгруппированные фотоны. В случае сильной накачки, квантовая точка переходит в режим насыщения и излучает фотоны спонтанно. Если внимательно посмотреть на спектр излучения квантовой точки, то помимо интенсивного и узкого пика можно обнаружить и второй — менее интенсивный и более размытый. Он отвечает за некогерентное излучение квантовой точки. Оказалось, что именно наличие некогерентной составляющей необходимо для наблюдения антигруппировки фотонов в системе.

Для того, чтобы оценить влияние некогерентной составляющей на качество антигруппировки, авторы использовали разные спектральные фильтры на детекторах в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса. Спектральные фильтры позволяют вырезать ограниченную часть спектра и детектировать только ее. По мере сужения полосы пропускания фильтра антигруппировка становится слабее, а при пропускании фильтром только когерентной составляющей пропадает совсем. Этот эксперимент подтверждает связь антигруппировки с некогерентной составляющей излучения.

То, насколько хорошо разгруппированы фотоны, показывает корреляционная функция второго порядка. Физики выделили три составляющие этой функции и показали, как они меняются в разных режимах накачки. Первые две — это суб- или супер-пуассоновский характер квантовых флуктуаций и аномальный импульс, а третья описывает сжатие света и доминирует при переходе от режима слабой накачки к сильной.

Понимание и изучение процессов генерации излучения квантовыми точками может открыть новые возможности для их применения и совершенствовать уже существующие, которых уже большое множество. Помимо квантовых вычислений, алгоритмы для которых удалось реализовать ученым из Нидерландов и генерации пар запутанных фотонов на основе спонтанного излучения квантовых точек, которое наблюдали австрийские ученые, у квантовых точек есть менее очевидные применения. Например, американские физики селективно синтезировали производные циклобутана с помощью квантовых точек. А другой группе ученых квантовые точки помогли заглянуть в растущую опухоль.

Оксана Борзенкова