FOTONEN AFZONDERLIJK TE MANIPULEREN DOOR GEBRUIK `DRAAIDEUR'

Je zou het de zuinigste lichtbron ter wereld kunnen noemen. Elke keer als de knop wordt omgedraaid ontsnapt er welgeteld één foton. Fysici van de universiteit van Stanford en twee laboratoria in Japan laten deze week in Nature (11 februari 1999) zien hoe ze erin geslaagd zijn om fotonen te rantsoeneren. Dat valt niet mee, want ze behoren nu eenmaal tot een deeltjesfamilie die graag alles samen doet: de bosonen. Als je dus een gewone lichtbron steeds zwakker en zwakker zou maken, dan neemt het aantal fotonen wel af, maar als ze komen, dan komen ze in groepjes. Elektronen zijn fermionen en die gedragen zich heel anders. Als gevolg van het uitsluitingsprincipe van Pauli kan elk elektron alleen een ander naast zich velen, wanneer dat niet in dezelfde quantummechanische toestand verkeert. Daardoor zijn ze veel makkelijker manipuleren. Voor het foton-draaihek is daar gebruik van gemaakt.

Aan de basis ervan liggen twee stukjes halfgeleidermateriaal: het ene heeft een overschot aan elektronen (n-type halfgeleider) en het andere een tekort (p-type halfgeleider). In dat laatste geval is er sprake van een overschot aan (`positief geladen') gaten. Wanneer er een spanning over het geheel wordt aangelegd, bewegen de elektronen en gaten naar elkaar toe om paarsgewijs samen te smelten. Hierbij komen fotonen vrij. De twee verschillende halfgeleiders werden in dit geval echter van elkaar gescheiden door twee barrières. Hierdoor was er geen vrij verkeer meer mogelijk. Bovendien waren de afmetingen zo klein, dat quantummechanische effecten een rol begonnen te spelen. Het belangrijkste is de zogenaamde Coulomb-blokkade. Wanneer een elektron eenmaal een barrière is gepasseerd - onder invloed van een aangelegd spanningsverschil - wordt elk volgend elektron tegengehouden. Het is als het druppelen van een kraan. Voordat een druppel kan vallen moet er eerst voldoende spanning opgebouwd worden en als die niet groot genoeg is gebeurt er niets. Bij de andere barrière werden de gaten tegengehouden door dezelfde spanning. Door deze echter steeds heel even te laten zakken, kon elke keer één gat passeren. Dat recombineerde met het elektron, waardoor er precies één foton werd uitgezonden. Daarna kon het proces weer van voren af aan beginnen.

De auteurs zien mogelijkheden voor het overbrengen van informatie, bijvoorbeeld in een quantumcomputer. Daarvoor moeten er nog wel eerst twee problemen worden opgelost. Zo ziet een detector lang niet elk foton dat in zijn richting komt en zal er ook iets moeten worden gedaan aan de altijd aanwezige achtergrondruis van fotonen die spontaan opduiken.

(Rob van den Berg)