Japonci poprvé přímo pozorovali vznik kvant toku v supravodiči po pohlcení fotonů

Japonští výzkumníci z Národního institutu pro pokročilou průmyslovou vědu a technologii (AIST) poprvé přímo pozorovali, jak v supravodiči po pohlcení fotonů vznikají magnetická kvanta toku. Na tomto jevu pak postavili nový způsob detekce světla, který určuje počet dopadajících fotonů podle počtu vzniklých kvant toku.

Kvantum toku neboli fluxon je nejmenší možná porce magnetického pole, kterou může supravodič obsahovat. Vzniká a pohybuje se v supravodivých materiálech za určitých podmínek a jde o základní projev kvantové povahy supravodivosti. Že se podobná kvanta tvoří také při absorpci světla, se v teorii předpokládalo, ale jejich vznik se podle zveřejněných informací dosud nepodařilo přímo sledovat. Právě to se nyní týmu z AIST povedlo.

Podstatou nového principu je přímá vazba mezi světlem a magnetickými objekty v supravodiči. Foton, který materiál pohltí, v něm uvolní energii a ta vyvolá vznik kvanta toku. Výzkumníci ukázali, že počet těchto kvant odpovídá počtu pohlcených fotonů. Stačí tedy spočítat kvanta toku a z výsledku lze určit, kolik fotonů na detektor dopadlo.

Takový přístup se liší od běžných způsobů, kdy se zaznamenává především elektrický signál vyvolaný dopadem světla. Zde se jako nositel informace používá diskrétní, přesně definovaná magnetická jednotka, což je z hlediska počítání fotonů přirozené. Kvanta toku jsou ze své podstaty celočíselná, takže se nabízí jednoznačné přiřazení: jedno kvantum, jeden foton, dvě kvanta, dva fotony.

Schopnost rozlišit počet fotonů má význam v řadě oblastí, kde se pracuje s extrémně slabým světlem. Patří sem kvantová komunikace a kvantové výpočty založené na fotonech, ale také citlivá měření v základním výzkumu. Detektory s rozlišením počtu fotonů jsou pro tyto aplikace klíčové, protože informace je často zakódována právě v tom, kolik fotonů se v daném okamžiku objeví. Dostupná fakta však neuvádějí konkrétní parametry nového detektoru, například jeho účinnost, rychlost nebo maximální počet fotonů, které dokáže rozlišit, a ani to, kdy by se princip mohl dostat do praktického použití.

Význam výsledku je tak zatím především principiální. Přímé pozorování kvant toku vznikajících při absorpci fotonů potvrzuje, že se tento mechanismus skutečně uplatňuje, a otevírá cestu k detektorům, které z něj čerpají. Zda a jak se nová metoda prosadí vedle stávajících supravodivých detektorů jednotlivých fotonů, ukáže až další vývoj a srovnání v praxi.

AIST patří mezi největší japonské veřejné výzkumné organizace a věnuje se široké škále oborů od materiálových věd po elektroniku a kvantové technologie. Pozorování kvant toku vznikajících působením světla zapadá do širšího snažení o lepší pochopení a využití kvantových jevů v supravodičích, které se uplatňují například v supravodivých obvodech pro kvantové počítače či v extrémně citlivých senzorech.

Pro samotný obor je podstatné také to, že nový princip nepracuje s detekcí jako s nepřímým důsledkem světelného dopadu, ale zviditelňuje konkrétní fyzikální událost, která při pohlcení fotonu v materiálu nastává. Pozorovatelný a spočitatelný objekt, jímž je kvantum toku, poskytuje přímočařejší cestu od fotonu k měřitelnému signálu. Podrobnosti o experimentálním uspořádání a použitých materiálech by měla přinést odborná publikace výzkumného týmu.