Źródła pojedynczych fotonów działające w temperaturze pokojowej – Wydział Fizyki UW liderem projektu finansowanego przez FNP
2025-04-29
„Zasilane elektrycznie kompaktowe źródła pojedynczych fotonów pracujące w temperaturze pokojowej” to tytuł nowego projektu finansowanego ze środków Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, który rozpoczął się 1 kwietnia 2025 na Wydziale Fizyki UW. Projekt typu Team Net Feng realizować będzie przez najbliższe trzy lata konsorcjum, w którego skład wchodzą: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (jako lider), Instytut Fizyki Politechniki Łódzkiej oraz Instytut Wysokich Ciśnień PAN. Rolę lidera zespołu badawczego na Wydziale Fizyki UW będzie pełnił prof. Piotr Kossacki. Na Politechnice Łódzkiej realizacją projektu kierować będzie prof. Tomasz Czyszanowski, a w Instytucie Wysokich Ciśnień – prof. Czesław Skierbiszewski.
Projekt ma na celu opracowanie nowego typu źródła pojedynczych fotonów, którego największymi zaletami będą działanie w temperaturze pokojowej i możliwość elektrycznego wzbudzania emisji. Źródło takie znajdzie zastosowanie zarówno w badaniach naukowych, np. w optyce kwantowej, jak i w telekomunikacji i kryptografii, gdzie może zostać wykorzystane do przesyłania tzw. kluczy kwantowych.
Obecnie dostępne komercyjne źródła pojedynczych fotonów bazują głównie na konwersji parametrycznej, czyli procesie, w którym z jednego fotonu o wyższej energii powstają dwa fotony o niższej energii. Ograniczeniem tego typu źródeł jest brak możliwości emisji „na żądanie”, czyli dokładnie wtedy, gdy zdecyduje o tym użytkownik, relatywnie mała wydajność, a także konieczność stosowania zewnętrznego pobudzania laserowego. Uniemożliwia to miniaturyzację tego typu urządzeń i zwiększa zapotrzebowanie na energię.
Jak mówi prof. Piotr Kossacki, źródło jednofotonowe proponowane w projekcie będzie miało kompaktowe, tzn. ledwie milimetrowe rozmiary. Będzie to możliwe dzięki uniknięciu konieczności stosowania zewnętrznych laserów pompujących i urządzeń chłodzących.
Poza emisją pojedynczych fotonów „na żądanie” urządzenie będzie oferowało możliwość sprzężenia z zewnętrznymi układami optycznymi. Jego przełomowe właściwości zapewni hybrydowa struktura, w której mikrometrowych rozmiarów struktura laserująca na bazie GaN zintegrowana zostanie ze strukturą fotoniczną, w której z kolei umieszczona zostanie warstwa azotku boru (hBN) z emiterami kwantowymi – wyjaśnia prof. Piotr Kossacki.
Projekt opiera się na dotychczasowych osiągnięciach i doświadczeniu zespołu prof. Kossackiego w pracy z hybrydowymi strukturami diod azotkowych i eksfoliowanymi półprzewodnikami oraz zaawansowanymi metodami projektowania struktur fotonicznych. Zespół ten opracował m. in. pierwsze prototypowe hybrydowe źródła pojedynczych fotonów bazujące na dichalkogenkach metali przejściowych oraz azotku boru. Jedno z takich urządzeń opisane zostało ostatnio w renomowanym czasopiśmie Advanced Optical Materials „Hybrid Electroluminescence Device for On-Demand Single Photon Generation at Room Temperature” (https://doi.org/10.1002/adom.202401879). Urządzenie jest obecnie chronione patentem pt. „Hybrydowa dioda elektroluminescencyjna emitująca pojedyncze fotony i sposób wytwarzania hybrydowej diody elektroluminescencyjnej emitującej pojedyncze fotony”. Projekt zakłada, że laserujące struktury azotkowe wytworzone zostaną przez zespół prof. Czesława Skierbiszewskiego z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. Wsparciem w projektowaniu urządzeń będą obliczenia teoretyczne wykonywane w zespole prof. Tomasza Czyszanowskiego z Politechniki Łódzkiej. Zadaniem zespołu na Wydziale Fizyki UW będą badania wytworzonych struktur metodami spektroskopii optycznej, w tym m.in. pomiary korelacji pojedynczych fotonów. Planowane w projekcie opracowanie nowatorskiego, kompaktowego, energooszczędnego i łatwego w integracji przyrządu wytwarzającego pojedyncze fotony w naturalny sposób wpisuje się w założenia strategicznego obszaru działania określanego na poziomie krajowym mianem „Przemysł 4.0”.
Najważniejsze informacje o projekcie:
Tytuł projektu: Zasilane elektrycznie kompaktowe źródła pojedynczych fotonów pracujące w temperaturze pokojowej
Finansowanie: Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej
Informacja o działaniu TEAM NET FENG na stronie FNP
Numer Projektu: FENG.02.03-IP.05-0021/24