Wetenschap
Artistieke weergave van een bron met twee fotonen:de monolaag (hieronder) zendt onder geschikte omstandigheden precies twee fotonen met verschillende frequenties uit. Op de foto zijn ze in rood en groen afgebeeld. Krediet:Karol Winkler
Natuurkundigen van de Universiteit van Würzburg hebben een lichtbron ontworpen die fotonparen uitzendt, die bijzonder geschikt zijn voor tap-proof data-encryptie. De belangrijkste ingrediënten van het experiment:een halfgeleiderkristal en wat plakband.
Zogenaamde monolagen vormen de kern van de onderzoeksactiviteiten. Deze zogenaamde "supermaterialen" zijn het afgelopen decennium omgeven door een hype. Dit komt omdat ze veelbelovend zijn om een revolutie teweeg te brengen in veel gebieden van de natuurkunde.
in de natuurkunde, de term "monolaag" verwijst naar vaste materialen met een minimale dikte. Zo nu en dan, het is slechts een enkele laag atomen dik; in kristallen, monolagen kunnen drie of meer lagen zijn. Experts spreken ook van tweedimensionale materialen. In deze vorm, monolagen kunnen onverwachte eigenschappen vertonen die ze interessant maken voor onderzoek. Vooral de zogenaamde overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC) zijn veelbelovend. Ze gedragen zich als halfgeleiders en kunnen worden gebruikt om ultrakleine en energiezuinige chips te maken, bijvoorbeeld.
Bovendien, TMDC's zijn in staat om licht te genereren wanneer ze van energie worden voorzien. Dr. Christian Schneider, Professor Sven Höfling en hun onderzoeksteam van de leerstoel Technische Natuurkunde van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Beieren, Duitsland, hebben precies dit effect benut voor hun experimenten.
Experimenten begonnen met plakband
Eerst, een monolaag werd geproduceerd met behulp van een eenvoudige methode. Met een stukje plakband pelden de onderzoekers een meerlaagse film van een TMDC-kristal. Met behulp van dezelfde procedure, ze stripten steeds dunnere lagen van de film, het proces herhalen totdat het materiaal op de tape slechts één laag dik was.
De onderzoekers koelden deze monolaag vervolgens af tot een temperatuur van net boven het absolute nulpunt en prikkelden deze met een laser. Dit zorgde ervoor dat de monolaag onder specifieke omstandigheden enkele fotonen uitzond. "We waren nu in staat om aan te tonen dat een specifiek type opwinding niet één maar precies twee fotonen produceert, " legt Schneider uit. "De lichtdeeltjes worden in paren gegenereerd, bij wijze van spreken."
Dergelijke twee-fotonbronnen kunnen worden gebruikt om 100 procent tap-proof informatie over te dragen. Voor dit doeleinde, de lichte deeltjes zijn verstrengeld. De toestand van het eerste foton heeft dan direct invloed op die van het tweede foton, ongeacht de afstand tussen de twee. Deze status kan worden gebruikt om communicatiekanalen te versleutelen.
Monolagen maken nieuwe lasers mogelijk
In een tweede studie, de JMU-wetenschappers demonstreerden een andere toepassing van exotische monolagen. Ze monteerden een monolaag tussen twee spiegels en stimuleerden die opnieuw met een laser. De straling prikkelde de TMDC-plaat zelf om fotonen uit te zenden. Deze werden door de spiegels teruggekaatst naar de plaat, waar ze atomen aanspoorden om nieuwe fotonen te creëren.
"We noemen dit proces sterke koppeling, " legt Schneider uit. Tijdens dit proces worden de lichtdeeltjes gekloond, bij wijze van spreken. "Licht en materie hybridiseren, daarbij nieuwe quasideeltjes vormen:excitonpolaritonen, " zegt de natuurkundige. Voor het eerst, het is mogelijk om deze polaritonen bij kamertemperatuur in atomaire monolagen te detecteren.
Op korte termijn, dit zal interessante nieuwe toepassingen openen. De "gekloonde" fotonen hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met laserlicht. Maar ze worden op totaal verschillende manieren vervaardigd. Ideaal, de productie van nieuwe lichtdeeltjes is zelfvoorzienend na de initiële excitatie zonder dat er extra energievoorziening nodig is. Bij laseren, echter, het lichtproducerende materiaal moet permanent energetisch van buitenaf worden aangeslagen. Dit maakt de nieuwe lichtbron zeer energiezuinig. Bovendien, het is zeer geschikt om bepaalde kwantumeffecten te bestuderen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com