Forskere demonstrerer første terahertz kvantesansning

Kvantefysikere stoler på kvantesansning som en yderst attraktiv metode til at få adgang til spektrale områder og detektere fotoner (små pakker af lys), der generelt er teknisk udfordrende. De kan samle prøveinformation i det spektrale område af interesse og overføre detaljerne via bifoton-korrelationer til et andet spektralområde med meget følsomme detektorer. Arbejdet er specielt gavnligt for terahertz-stråling uden halvlederdetektorer, hvor fysikere i stedet skal bruge sammenhængende detektionsskemaer eller kryogenisk afkølede bolometre. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Mirco Kutas og et forskerhold i afdelingerne for industriel matematik og fysik i Tyskland beskrev den første demonstration af kvantesansning i terahertz-frekvensområdet. Under forsøgene, terahertz-frekvenser interagerede med en prøve i frit rum og gav information om prøvetykkelsen ved at detektere de synlige fotoner. Holdet opnåede lagtykkelsesmålinger med terahertz-fotoner baseret på bifotoninterferens. Da evnen til at måle lagtykkelse ikke-destruktivt er af høj industriel relevans, Kutas et al. forventer, at disse eksperimenter er et første skridt mod industriel kvantesansning.

Kvanteregistrering og billeddannelse er et populært skema til infrarøde målinger ved hjælp af et par korrelerede synlige og infrarøde fotoner. Forskerhold havde tidligere demonstreret det generelle princip for kvanteregistrering i terahertz-frekvensområdet ved hjælp af et enkeltkrystal-interferometer i Youngs konfiguration til at måle absorptionen af ​​en periodisk polet lithiumniobat (PPLN) krystal, inden for terahertz-frekvensområdet. I nærværende arbejde, Kutas et al. genererede terahertz (idler) fotoner ved hjælp af spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) ved hjælp af pumpefotoner ved 660 km til at generere signalfotoner ved en bølgelængde på omkring 661 nm - meget tæt på spektrapumpens bølgelængde. For at teste gennemførligheden af ​​kvanteregistrering ved stuetemperatur, holdet analyserede først teoretisk konceptet for et enkeltkrystal kvanteinterferometer.

I teorien, opsætningen indeholdt en pumpestråle, som oplyste en ikke-lineær krystal for at skabe par af signal(er) og tomgangs(i) fotoner. Kutas et al. baseret deres teoretiske proces på en tidligere undersøgelse. I de sædvanlige SPDC-eksperimenter (spontan parametrisk nedkonvertering) er inputtilstandene i en vakuumtilstand. Imidlertid, i dette arbejde modtog den lille energi af de tomgangsfotoner i terahertz-området væsentlige bidrag fra termiske fluktuationer til at være i en termisk tilstand. Under forsøget, holdet forventede at adskille pumpe- og signalfotonerne fra de ledige fotoner for at interagere med objektet, for at den resulterende stråling kunne reflekteres og kobles tilbage til krystallen. De illustrerede den forventede interferens som følge af modellen for at konkludere, at et interferensmønster kunne forventes i nærvær af termiske fotoner til nedkonvertering (når signal- og tomgangsfelterne har en lavere frekvens end pumpen) såvel som for opkonvertering .

Den nuværende eksperimentelle opsætning var også baseret på en tidligere præsenteret opsætning - udvidet til et Michelson-lignende enkeltkrystal kvanteinterferometer. Forskerne brugte en 660 nm frekvens-fordoblet solid-state laser som en pumpekilde og koblede fotonerne til interferometeret ved hjælp af volumen Bragg grating (VBG). For det ikke-lineære medie, de valgte en 1 mm lang PPLN-krystal (periodisk polet lithiumniobat) med en poleringsperiode på 90 µm for at generere synlige (signal)fotoner og tilhørende (ledlige) fotoner i terahertz-frekvensområdet. Bag krystallen, forskerne anbragte et indiumtinoxidbelagt glas for at adskille de tomgangsfotoner fra pumpen og signalfotonerne. De fokuserede derefter pumpen og signalstrålingen direkte tilbage i krystallen ved hjælp af et konkavt spejl.

Siden brydningsindekset for lithiumniobat (LiNbO ₃ ) i terahertz-frekvensområdet førte til en stor spredningsvinkel for tomgangsstrålingen, de kollimerede denne stråling ved hjælp af et parabolsk spejl og reflekterede tomgangsstrålingen ved et plant spejl placeret på et piezoelektrisk lineært trin. Efter to passager gennem krystallen kollimerede de pumpen og signalstrålerne og filtrerede pumpens fotoner ved hjælp af tre VBG'er, der fungerede som yderst effektive og smalbåndede notch-filtre. Holdet brugte et ukølet videnskabeligt komplementært metal-oxid-halvleder-kamera (sCMOS) som detektor. Signalfotonerne i opsætningen kunne genereres enten ved SPDC (spontan parametrisk nedkonvertering) eller ved at konvertere de termiske fotoner i terahertz-frekvensområdet. Signalintensiteten afhang lineært af pumpeeffekten, hvilket tillod eksperimentet at udføre i lavforstærkningsområdet.

Forskerne observerede interferensen af ​​signalfotonerne i Stokes- og anti-Stokes-regionerne - hvilket matchede det simulerede interferenssignal. De tilsvarende hurtige Fourier-transformationer (FFT'er) viste en top under begge tilfælde i forhold til fasetilpasningsbetingelserne. Støjen fra de optagede data skyldes laserudsving og støjen fra kameraet. For at bestemme, at interferensen var forårsaget af terahertz-fotoner, der forplantede sig langs den tomgangsvej, de anbragte et indiumtinoxidglas mellem det parabolske og plane spejl, som blokerede terahertz-stråling, samtidig med at det tillader transmission af synligt lys.

For derefter at demonstrere terahertz kvantesansning, Kutas et al. målte tykkelsen af ​​en række forskellige polytetrafluorethylen (PTFE) plader – placeret i tomgangsbanen med en maksimal tykkelse på 5 mm. På grund af brydningsindekset for PTFE, den optiske længde af stien ændrede sig, og de observerede interferensen på forskellige stadier. Bortset fra skiftet, synligheden af ​​interferensen faldt i nærvær af PTFE-pladen. Holdet opdagede tykkelsen af ​​pladen ved at estimere deres brydningsindeks ved at bruge et standard tidsdomænespektroskopi (TDS) system. Baseret på brydningsindekset og forskydningen af ​​interferenssignalet beregnede de lagtykkelsen. Resultaterne viste, at kvanteinterferensen med tomgangsfotoner i terahertz-frekvensområdet gjorde det muligt for fysikerne at bestemme lagtykkelsen af ​​prøver i terahertz-banen via kvanteføling.

På denne måde Mirco Kutas og kolleger observerede kvanteinterferens i terahertz-frekvensområdet med udbredelse af terahertz-fotoner i frit rum, inden for Stokes- og anti-Stokes-regionerne. De viste kapaciteten til at bruge denne teknik til at bestemme tykkelsen af ​​en række PTFE-områder som proof-of-concept-applikationer i terahertz-frekvensområdet. Mens måletiden og opløsningen ikke kan sammenlignes med klassiske terahertz-måleskemaer, konceptet præsenteret her er en første milepæl mod terahertz kvantebilleddannelse.

© 2020 Science X Network