Anvendelse af metamaterialer til kvanteoptik baner vej for nye tværfaglige undersøgelser

To hold forskere fra Technion-Israel Institute of Technology har samarbejdet for at udføre banebrydende forskning, der fører til udviklingen af ​​et nyt og innovativt videnskabeligt felt:Quantum Metamaterials. Resultaterne præsenteres i et nyt fælles papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Undersøgelsen blev udført i fællesskab af fremtrædende professor Mordechai Segev, af Technions fysikafdeling og Solid State Institute og hans team Tomer Stav og Dikla Oren, i samarbejde med prof. Erez Hasman fra Technions fakultet for maskinteknik og hans team Arkady Faerman, Elhanan Maguid, og Dr. Vladimir Kleiner. Begge grupper er også tilknyttet Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

Forskerne har for første gang demonstreret, at det er muligt at anvende metamaterialer på området kvanteinformation og computing, derved baner vejen for mange praktiske anvendelser, herunder, blandt andre, udviklingen af ​​ubrydelige krypteringer, samt at åbne døren for nye muligheder for kvanteinformationssystemer på en chip.

Metamaterialer er kunstigt fremstillede materialer, består af talrige kunstige nanoskala strukturer designet til at reagere på lys på forskellige måder. Metasurfaces er den 2 -dimensionelle version af metamaterialer:ekstremt tynde overflader, der består af talrige subbølgelængde optiske nanoantenner, hver designet til at tjene en bestemt funktion ved samspillet med lys.

Mens til dato, eksperimentering med metamaterialer har i vid udstrækning været begrænset til manipulationer ved hjælp af klassisk lys, forskerne i Technion har for første gang vist, at det er eksperimentelt muligt at bruge metamaterialer som byggestenene for kvanteoptik og kvanteinformation. Mere specifikt, forskerne har demonstreret brugen af ​​metamaterialer til at generere og manipulere sammenfiltring - hvilket er det mest afgørende træk ved enhver kvanteinformationsordning.

"Det, vi gjorde i dette eksperiment, er at bringe metamaterialefeltet til området for kvanteinformation, "siger dist. prof. Moti Segev, en af ​​grundlæggerne af Helen Diller Quantum Science, Materiale og teknikcenter ved Technion. "Med dagens teknologi, man kan designe og fremstille materialer med elektromagnetiske egenskaber, der er næsten vilkårlige. For eksempel, man kan designe og fremstille en usynlighedskappe, der kan skjule småting fra radar, eller man kan skabe et medium, hvor lyset bøjer baglæns. Men indtil videre blev alt dette gjort med klassisk lys. Det, vi viser her, er, hvordan man udnytter de fantastiske evner, kunstige nano-designede materialer kan generere og kontrollere kvantelys. "

"Nøglekomponenten her er en dielektrisk metaoverflade, "siger prof. Erez Hasman, "som virker på en anden måde end venstre- og højrehåndet polariseret lys, pålægge dem modsatte fasefronter, der ligner skruer eller hvirvler, en med uret og en mod uret. Metasoverfladen skulle være nanofabrikeret af gennemsigtige materialer, ellers - havde vi inkluderet metaller, som i de fleste forsøg med metamaterialer - ville kvanteegenskaberne blive ødelagt. "

"Dette projekt startede i tankerne på to talentfulde studerende - Tomer Stav og Arkady Faerman, "siger proff. Segev og Hasman, "der kom til os med en banebrydende idé. Projektet fører til mange nye retninger, der rejser grundlæggende spørgsmål såvel som nye muligheder for applikationer, for eksempel, lave kvanteinformationssystemer på en chip og kontrollere kvanteegenskaberne ved design. "

I deres forskning, forskerne gennemførte to sæt eksperimenter for at generere sammenfiltring mellem spin og orbital vinkelmoment af fotoner. Fotoner er de elementære partikler, der udgør lys:de har nul masse, rejse med lysets hastighed, og normalt ikke interagerer med hinanden.

I eksperimenterne, forskerne skinnede først en laserstråle gennem en ikke-lineær krystal for at skabe enkelt fotonpar, hver kendetegnet ved nul orbital momentum og hver med lineær polarisering. En foton i lineær polarisering betyder, at det er en superposition af højrehåndet og venstrehåndet cirkulær polarisering, hvilket svarer til positivt og negativt spin.

I det første forsøg fortsatte forskerne med at dele fotonparene - dirigere det ene gennem en unik fremstillet metasurface og det andet til en detektor for at signalere ankomsten af ​​den anden foton. De målte derefter den enkelte foton, der passerede gennem metasoverfladen for at finde ud af, at den havde opnået orbital vinkelmoment (OAM), og at OAM er blevet viklet ind i centrifugeringen.

I det andet forsøg, de enkelte fotonpar blev ført gennem metasoverfladen og målt ved hjælp af to detektorer for at vise, at de var blevet viklet ind:spinet af en foton var blevet korreleret med den anden foton orbital vinkelmoment, og omvendt.

Forvikling betyder dybest set, at de handlinger, der udføres på den ene foton samtidigt påvirker den anden, selv når de spredes over store afstande. I kvantemekanik, fotoner menes at eksistere i både positive og negative spin -tilstande, men en gang målt kun vedtage en tilstand.

Dette forklares måske bedst ved en simpel analogi:Tag to kasser hver med to bolde indeni - en rød og en blå kugle. Hvis kasserne ikke er sammenfiltrede, kan du nå ind i boksen og trække enten en rød eller en blå kugle ud. Imidlertid, hvis kasserne skulle blive viklet ind, så kunne bolden inde i feltet enten være rød eller blå, men vil kun blive bestemt i det øjeblik bolden i en kasse observeres, samtidig bestemme farven på bolden også i den anden boks. Denne historie blev oprindeligt relateret af den berømte nobelpristager Erwin Schroedinger, præsenterer scenariet for en kat i en kasse, hvor katten er både levende og død, indtil kassen åbnes.

Når den når metaoverfladen, samspillet mellem spin (cirkulær polarisering) og orbitalt vinkelmoment opstår. Det forlader metasoverfladen i en enkelt foton sammenfiltret tilstand; det positive spin (repræsenteret i rødt ved den elektriske feltamplitude) og det modsatte orbitalvinkelmoment (repræsenteret med rødt ved fasehvirvelen) er viklet ind med det negative spin (blåt) og det med urets orbitale vinkelmoment (blå). Animationskredit:Ella Maru Studio

I mere end et århundrede Technion-Israel Institute of Technology har været banebrydende inden for videnskabs- og teknologiundervisning og leveret indflydelse, der ændrer verden. Stolt et globalt universitet, Technion har længe udnyttet grænsekrydsende samarbejde for at fremme banebrydende forskning og teknologier. Nu med tilstedeværelse i tre lande, Technion vil forberede den næste generation af globale innovatører. Technion mennesker, ideer og opfindelser yder umådelige bidrag til verden, innovation på områder fra kræftforskning og bæredygtig energi til kvantecomputing og datalogi, at gøre godt rundt om i verden.