Christian Frydendahl

Projekttitel

Quantum Control of Emission in Valleytronic Materials

Hvad handler dit projekt om?

Lys har en skjult egenskab kaldet spin. En foton kan dreje enten til højre eller venstre om sig selv – ligesom vores to hænder spejler hinanden uden at være ens. Denne 'kiralitet' er en nøgle til mange nye kvanteteknologier som kvantecomputere og -kryptering, fordi lys med et bestemt spin kan styre tilstanden af andre kvanteobjekter som atomer og elektroner. Problemet er, at næsten alle materialer udsender en 50/50-blanding af højre- og venstredrejet lys. Vil man kun bruge den ene slags, kræver det store optiske systemer til at frasortere resten. Mit projekt skal løse problemet ved roden i en ny klasse 2D-halvledere. Ved at sende strøm gennem materialet på en bestemt måde kan vi sortere ladningerne inde i en lysdiode, så kun lys med præcis det spin, vi ønsker, bliver udsendt. Resultatet er en lille, kompakt kilde til 'rent' kiralt lys – en vigtig byggesten i fremtidens kvanteteknologi.

Hvordan opstod din interesse for dit forskningsfelt?

For mig er det allermest spændende ved fysik fagets indbyggede bredde: Fysik er ultimativt et forsøg på at forstå de basale elementer, der udgør vores univers, og hvordan deres vekselvirkninger opbygger den virkelighed vi oplever. Jeg er konstant fascineret af, hvordan en håndfuld grundlæggende principper kan forklare så vidt forskellige fænomener. Derfor passer mit forskningsfelt mig så godt – nanooptik ligger i krydsfeltet mellem faststoffysik og kvanteoptik, og her dukker den samme fysik op i nye forklædninger igen og igen. Samtidig er de fænomener, vi studerer, tit direkte anvendelige i sensorer, lyskilder og andre teknologier. Så selvom meget af mit arbejde er grundforskning, er det altid forankret i konkrete spørgsmål: ”Hvad er en god sensor, og hvordan kan vi bruge fysikken bag den til at gøre den bedre?”.

Hvad er de forskningsmæssige udfordringer og perspektiver ved dit projekt?

Den centrale udfordring er fundamental: Hvordan styrer man lysets spin allerede inde i et materiale – før lyset overhovedet er dannet? Hidtil har man kun kunnet 'sortere' fotonernes spin bagefter, med store optiske systemer, og aldrig elektrisk og direkte i kilden. I mit projekt udnytter jeg, at ladningerne i atomart tynde 2D-halvledere bærer en slags indre retning. Ved at sende strøm gennem materialet på en bestemt måde kan jeg samle ladninger med samme retning ét sted, så de kun udsender lys med præcis det spin, jeg ønsker. En vigtig forhindring er, at ladningerne mister denne retning hurtigt (de flip-flopper imellem de to tilstande) – derfor kobler jeg lysdioden til nanooptiske resonatorer, der får lyset udsendt, før retningen går tabt. På sigt kan netop denne kobling til en resonator også bane vejen for en egentlig kiral laserkilde.

Hvilke perspektiver vurderer du selv, at din forskning på sigt kan have for det omgivende samfund?

Min forskning er grundforskning, og de konkrete anvendelser ligger år ude i fremtiden – men der er altid en retning imod anvendelse. Kompakte kilder til kiralt lys, der kan bygges og skaleres direkte på en chip, er en af de manglende byggesten i det, man kalder den anden kvanterevolution. Lykkes det at få den slags lyskilder til at virke på sigt, bliver det lettere at flytte kvanteteknologi ud af laboratoriet og gøre den praktisk: Computere, der kan løse problemer, vores nuværende ikke kan, kommunikation sikret af fysikkens love frem for koder, og sensorer med hidtil uset følsomhed. Det vil på sigt kunne få betydning for alt fra medicin og materialeudvikling til datasikkerhed.

Hvad vil det betyde for din forskerkarriere, at du indgår i Sapere Aude-programmet?

Sapere Aude markerer overgangen fra at være en del af andres forskningsgruppe til at stå på egne ben som selvstændig forskningsleder. Det giver mig nu mulighed for at samle de erfaringer og evner, jeg har opbygget igennem en række postdoc-ophold, til at danne en ny forskningsretning i Danmark – baseret på mine egne idéer som jeg har udviklet igennem årene. Bevillingen giver denne nye gruppe en gunstig start i form af startressourcer. Konkret betyder bevillingen også, at jeg kan samle mit nationale og internationale netværk i vedvarende samarbejde. Lige så vigtigt får jeg rammerne til at føre den viden der opbygges videre til næste generation af forskere – blandt andet ved at uddanne en ph.d.-studerende, der selv kan være med til at bringe dansk kvanteforskning videre i årene fremover.