Fotona en basit tanımı ile ışık diye tanımlayabiliriz. Elektromanyetik kuvvetlerde kuvvet taşıyan kütlesiz (durgun kütlesi) sıfır olan parçacık. Bilginin temelini oluşturan, kuantum mekaniği için son derece önemli olan bu kavram, bugün bilgiyi temsil etmektedir. Bu kavramı kuantum bilgisayarları ile ilgili detaylandırmam gerekirse; bu kavram bu teknolojinin kalbidir. Tuzaklanmış iyon teknolojisi, süper iletken bağlantılar, silikon dönüşlü kuantum nokta teknolojileri ve tekli foton üreten sistemlerin hepsiyle bağlantılı ve hepsinin kalitesini belirleyen ana unsur konumundadır. Peki ideal bir sistem için ne tür özelliklere sahip olması gerekir?
İki boyutlu malzemeleri göz önüne aldığımız zaman, tek foton kaynakları oluşturmak iki farklı yöntemle elde edilir.
- Kuantum Nokta Teknolojisi ile üretilen tek foton kaynakları, lazer yardımı ile beraber elektron temel seviyesinden uyarılmış seviyeye çıkartılır. Elektron eşik çiftleri oluşturarak, Coulomb kuvveti yardımı ile birbirine bağlı olan elektronları oluşturduktan sonra bir potansiyel çukurunda lokalize edilir, ve 2 adımlı ışıma yardımı ile tek fotonları oluşturabilirsiniz.
- Geniş Bant Teknolojisi ile üretilen foton kaynakları, bazı malzemeler geniş bant aralıklarına sahiptirler. Değerlik bandı ve iletkenlik bandı arasında kalacak şekilde malzemede kusur oluşturarak, renk yapıları elde edilir. Bu renklerin belirlenmesi ışıma sırasında yayılan dalga boyu ile belirlenir. Böylece bant aralığında kalan elektronlar, bant aralığının altında kalan uyarılar ile beraberinde tek foton üretmeye başlarlar.
Foton ile ilgili detaylı inceleyeceğimiz parametreleri oluşturmadan önce, bu fotonların üretilmesi ve yayılmasının eş zamanlı ve teker teker olması gerekiyor. Peki biz bunu nasıl anlıyoruz? Işın ayıracı kullanarak t=0 zamanında aldığımız ölçümlerin çakışma oluşturmaması gerekir. Bu emisyonda eğer fotonlar teker teker geliyorsa durumun başarılı olduğuna kanaat getiririz. Peki üretilen bu fotonlarda nelere dikkat edilir, bu fotonların kalitesini neler etkiler bunları yakından inceleyelim:
- Sıcaklık
Sıcaklı değeri tekli foton kaynakları için hayati öneme sahiptir. Çünkü bu durum bir sistemin günlük hayat entegre edilip edilmemesinin de en büyük parametrelerinden bir tanesidir. Atom üzerinde bulunan ısı enerjisi arttıkça kararlı yapı kaybedilmeye başlar. Atomik boyutta artan enerji ile beraber malzeme üzerinde ki kontrolünüz son derece zayıflayacaktır. Sıcaklık ile beraber fotonların durağanlık durumları bozularak hareketleri kontrolsüz bir biçimde öngörülemez şekilde devam edebilir. Bu yüzden çoğu malzeme için kriyojenik sıcaklıklarda çalışılır. Şimdi aşağıda bazı malzemeler ve onların çalıştığı aralıkları vereceğim.
Altıgen Bor Nitrür = 800 Kelvin ve üzeri sıcaklıklarda çalışabilir. (En başarılı örnek konumundadır.)
Galyum Selenyum = Kriyojenik Sıcaklık.
Galyum Arsenik = 0-50 Kelvin Sıcaklık.
Tungsten Selenyum = Kriyojenik Sıcaklık.
Molibdenim Selenyum = Kriyojenik Sıcaklık.
Sıcaklık oda sıcaklığına doğru ilerlemesi, bu sistemlerin her geçen gün daha rahat ve yaygın bir biçimde kullanılabileceği anlamına gelir.
- Yaşam Süresi
Yaşam süresi bir fotonun işlem yapabilme aralığı olarak tanımlanır. Bu aralık ne kadar yüksek olursa kuantum kapılarına gönderdiğimiz bu fotonlardan o kadar yüksek işlem kabiliyeti alabiliriz. Günümüzde bu değerler farklı koşullar için göreceli olarak yüksek değerlere ulaşabiliyor. Ancak, bu koşulları oluşturmak gerçekten güç olabilir. Laboratuvar ortamında atacağın adım, çekeceğiniz nefes dahi bu fotonun yaşam ömrünü etkileyebilir. Genel parametrede kapalı sistemlerde ve düşük sıcaklıklarda çalışmak bu durum için olmazsa olmazdır. Şimdi malzemeler ve onların yaşam sürelerini inceleyelim.
Altıgen Bor Nitrür = 1.53-2.88 Nano saniye.
Molibdenim 2 Sülfat = 150 Piko saniyeden daha az.
Tungsten 2 Selenyum = 100 Piko saniye, 2-225 Nano saniye aralığındadır.
Tungsten 2 Sülfat = 1.4 Nano saniye.
Galyum Selenyum = 5-22 Nano saniye.
- Emisyon Dalga Boyu Aralığı
Emisyon dalga boyu aralığı işlem yapacağınız bant aralığını belirler, hangi bant aralıklarında işlem yapabileceğinize karar verecek sensörleri bu aralığa göre seçmeniz gerekecektir. Bu aralıkları radyoda frekans aralığı olarak düşünebilirsiniz. Bu aralığın ultra viyola, kızılötesi, görünür ışık dalga boyu olması kullanılacak ortama, yapılacak işleme göre avantaj ve dezavantaj sağlayacaktır. Şimdi bazı iki boyutlu malzemelerin emisyon aralıklarından bahsedeceğim.
Altıgen Bor Nitrür = Ultra Viyola – Kızılötesine yakın aralıkta emisyon aralığı oluşturabilir. (Bu özelliği ile güncel olarak tektir.)
Molibdenim 2 Sülfat = 550 Nanometre.
Molibdenim 2 Selenyum = 770 Nanometre.
Galyum Selenyum = 600 Nanometre.
Tungsten 2 Sülfat = 640 Nanometre.
- Tek Foton Saflığı
Bu durum çalışan bir sistem için gürültünün azalması ve daha stabil çalışabilmesi için gereken bir özelliktir. Burada ulaşılacak yüksek saflık dereceleri, sistemin hata oranları azaltarak, sistemi daha kararlı bir yapıya kavuşturur. Tek foton saflığı, ölçülen ikinci dereceden tutarlılık derecesi g²[0] = 〈n(n – 1)〉/〈n〉² ile ölçülür; burada n, darbe başına foton sayısıdır. Şimdi malzemeler ve değerlerini karşılaştıralım.
Altıgen Bor Nitrür = g²(0)=0.01.
Tungsten 2 Selenyum = g²(0)=0.02.
Tungsten 2 Sülfat = g²(0)=0.31.
Galyum Selenyum = g²(0)=0.33.
- Hat Genişliği
Hat genişliği kavramı, foton kaynaklarından oluşturulan fotonların hangi enerji seviyelerinde işlem göreceğini tanımlayabilir. Bu şekilde kuantum anahtar dağıtımı, kuantum bilgisayarları, ve kapalı foton sistemleri için hangi bant aralığında çalışacağını belirleyebilir. Bu aralıklar daha çok sistemlere entegre bir biçimde çalışmaktadır. Diğer kriterleri karşılayan bir foton için hangi hat genişliği aralığında çalışıyorsa, o hat genişliği seçilerek, sistem ona göre dizayn edilmelidir. Şimdi diğer kriterlerini incelediğimiz fotonları hat genişliklerine bakalım.
Altıgen Bor Nitrür = 0.21 Mikro Elektron volt.
Molibdenim 2 Sülfat = 0.5-0.6 Mili Elektron volt.
Tungsten 2 Selenyum = 10 Mikro Elektron volt.
Tungsten 2 Sülfat = 3 Mili Elektron volt.
Molibdenim 2 Selenyum = 150-500 Mikro Elektron volt.
Galyum Selenyum = 3.7, 5.2 Mili Elektron volt.
Tüm bu özellikler tek foton kaynağından çıkan fotonların kimlik bilgileridir. Her sistem kendi için belirli avantaj ve dezavantajı ile beraber oluşmaya başlar. Bu durumda malzeme bilimciler, fizikçiler, bant mühendisleri yani kısaca bilim adamları bu dezavantajları gidermeye çalışırlar. Bu sayede bu sistemler günlük anlamda kullanılabilecek, daha verimli sistemler haline gelebilir. Günümüzde yarış son sürat devam etmektedir. Bu yarış bizi diri tutan ve insanlığımızı ileri götüren ışığın yani fotonun da ta kendisidir. Bu yazı fotonik sistemler için genel anlamda dikkat edilen ve önemli olan unsurları içermektedir.
Saygılarımla,
Baran Özdemir.