Możliwość przechowywania informacji zakodowanej optycznie, w postaci impulsu światła, jest niezmiernie istotna dla dalszego rozwoju komputerów i telekomunikacji kwantowej, bowiem dostępne obecnie nośniki informacji nie zapewniają wymaganej szybkości przetwarzania ani nanometrowej skali integracji. Zapamiętywanie, szybki zapis i odczyt informacji optycznej jest jednak, przy obecnym stanie wiedzy, trudno zrealizować. Przyczyną tego stanu rzeczy są szczególne, kwantowo-mechaniczne własności fizyczne światła i układów ze światłem oddziaływujących, które mógłby być potencjalnie użyte jako nośniki pamięci.
Dotychczas, jednym z podstawowych problemów optoelektroniki kwantowej był bardzo krótki czas życia (przechowywania informacji) stanów kwantowych w półprzewodnikowych strukturach kwantowych wykorzystywanych jako bardzo szybki i energooszczędny układ zapisu informacji. Dzięki pracy m. innymi polskich fizyków ten czas udało się ostatnio przedłużyć ponad tysiąc razy. Wyniki dokumentujące to rekordowe osiągnięcie przedstawiono w pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Nature Photonics [1].
Międzynarodowy zespół badawczy, w skład którego wchodzili naukowcy z Instytutu Fizyki PAN, zaprezentował nową, unikalną metodę przechowywania informacji. Wykorzystano w tym celu stymulowane echo fotonowe, zjawisko fizyczne, w którym informacja zawarta w polu optycznym (impulsie światła) przekazywana jest do systemu spinów elektronów struktury półprzewodnikowej – studni kwantowej, a po jakimś czasie ponownie wypromieniowana w postaci impulsu światła będącego kopią (pod względem intensywności, koherencji optycznej i fazy) oryginalnego impulsu świetlnego - „echa”. Informacja w postaci kwantowego wzbudzenia układu spinów, odizolowanego od optycznego pola próżni, mogła w tym stanie przetrwać znacznie dłużej niż samo wzbudzenie optyczne.
Układem „przechowującym” informacje jest system spinów gazu elektronowego w studni kwantowej. Takie specjalne, ultra wysokiej jakości studnie kwantowe zostały wyhodowane z półprzewodnika – tellurku kadmu, z barierami domieszkowanymi magnezem, metodą epitaksji z wiązek molekularnych w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych – SL3, Instytutu Fizyki PAN. Wykorzystując subtelne zjawisko echa fotonowego z użyciem przejść trionowych (triony to naładowane kompleksy trzycząstkowe, w tym przypadku składające się z dwóch elektronów i jednej dziury) w studniach kwantowych w polu magnetycznym autorzy zademonstrowali, że czas przechowywania informacji optycznej w nowego typu pamięci spintronicznej może być wydłużony o ponad trzy rzędy wielkości, z zakresu pikosekundowego do zakresu dziesiątek nanosekund.
Stanowi to istotny, pierwszy krok na drodze do uzyskania wydajnego i długoczasowego przechowywania informacji optycznej, tym samym stanowi model nowego typu spintronicznej pamięci optycznej. Członkowie zespołu badawczego, profesorowie Tomasz Wojtowicz i Grzegorz Karczewski podkreślają, iż obecnie ta sama grupa naukowców z Dortmundu, St. Petersburga i Warszawy pracuje nad dalszym wydłużeniem czasu przechowywania informacji optycznej z wykorzystaniem przejść trionowych i spinów elektronowych, ale już nie w obiektach dwuwymiarowych, lecz w zawierających elektrony obiektach zero-wymiarowych, w tzw. kropkach kwantowych z CdTe i CdSe, wytwarzanych w Laboratorium SL3 IF PAN metodą epitaksji molekularnej.
Warto wspomnieć, że technologia tego typu struktur kwantowych o ultra-wysokiej ruchliwości dwuwymiarowego gazu elektronowego, szczególnie tych, które zawierają magnetyczne jony Mn2+, co prowadzi do silnego wzmocnienia oddziaływań spinowych, jest intensywnie rozwijana w Laboratorium, m.in. w ramach obecnie realizowanego projektu badawczego Maestro z Narodowego Centrum Nauki, kierowanego przez profesora Tomasza Wojtowicza (DEC-2012/06/A/ST3/00247). Jak podkreśla prof. Wojtowicz, ta unikalna w skali światowej technologia już wcześniej umożliwiła zademonstrowanie szeregu nowych zjawisk z dziedziny spintroniki: nowego typu tranzystora spinowego [2], indukowanej promieniowaniem THz generacji czystych prądów spinowych [3], czy wreszcie nowej metody generacji koherentnych impulsów promieniowania THz o przestrajalnej częstotliwości [4].
