Onderzoekers detecteren enkel foton met nanodraad
Onderzoekers van de Stichting FOM, de TU Delft en de TU Eindhoven zijn er voor het eerst in geslaagd om enkele lichtdeeltjes (fotonen) te detecteren met een halfgeleidende nanodraad. Ze maakten een nanodetector die de fotonen omzet in elektronen én het elektrische signaal voldoende versterkt om het te kunnen meten. De onderzoekers publiceerden de resultaten van deze elektrische metingen 20 mei online in Nature Photonics. Het meten van enkele fotonen is van groot belang bij quantumcommunicatie.
Met quantumcomputers kunnen we in de toekomst veel snellere berekeningen maken. Om verschillende computers te kunnen laten samenwerken, moeten ze over grote afstanden informatie kunnen uitwisselen. Wetenschappers denken dat enkele fotonen daarbij geschikt zijn als informatiedragers. De computer zet de fotonen om in elektronen en verwerkt het dan verder als een elektrisch signaal. Maar om het signaal bruikbaar te maken moet het eerst flink versterkt worden. Dat is wat het ontwerp voor een fotondetector ingewikkeld maakt.
Elektronenlawine
De nieuwe detector bestaat uit een nanodraadje, dat aan de ene kant fotonen absorbeert en aan de andere kant een elektrische stroom uitstuurt. Het beginpunt is een quantum dot, een heel klein 'doosje' dat één foton met de juiste kleur absorbeert en vervolgens één elektron vrij maakt. Dit elektron ontstapt uit het doosje en komt terecht in de nanodraad, waar het door botsingen met andere elektronen een lawine van bewegende elektronen veroorzaakt. Uiteindelijk ontstaan er meer dan tienduizend elektronen uit één enkel startelektron. Door deze macroscopische stroom te meten, kunnen de onderzoekers onderscheid maken tussen één of geen foton.
Detectorontwerp
De materialen van de nanodraad zijn essentieel voor de werking van de detector. De onderzoekers gebruikten een nanodraad van indiumfosfide met een diameter van ongeveer 100 nanometer en een lengte van enkele micrometers. Het ene uiteinde is bedekt met een laagje zwavel en het andere met zink, om een constant elektrisch veld te kunnen produceren. Dit veld versnelt de elektronen die door de nanodraad bewegen en geeft ze zo voldoende energie om meer elektronen te produceren. Zo ontstaat er een enorme elektronenlawine, die het mogelijk maakt om enkele fotonen te detecteren.
Contact
Gabriele Bulgarini
Referentie
G. Bulgarini, M.E. Reimer, M. Hocevar, E.P.A.M. Bakkers, L.P. Kouwenhoven and V. Zwiller.
'Avalanche amplification of a single exciton in a semiconductor nanowire'.
Nature Photonics (2012), doi:10.1038/nphoton.2012.110