Generering af sammenfiltrede fotoner med ikke-lineære metaoverflader

Kvante nanofotonik er et aktivt forskningsfelt med nye applikationer, der spænder fra kvantedatabehandling til billeddannelse og telekommunikation. Dette har motiveret videnskabsmænd og ingeniører til at udvikle kilder til sammenfiltrede fotoner, der kan integreres i fotoniske kredsløb i nanoskala. Praktisk anvendelse af enheder i nanoskala kræver en høj foton-pargenereringshastighed, stuetemperatur drift, og sammenfiltrede fotoner, der udsendes ved telekommunikationsbølgelængder på en retningsbestemt måde.

Den mest almindelige måde at skabe sammenfiltrede fotoner på er ved en proces kendt som Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC), som involverer en enkelt foton, der opdeles i to sammenfiltrede fotoner med lavere frekvenser, kendt som signal og tomgang. Konventionelle tilgange til SPDC er afhængige af omfangsrige enheder, der er op til flere centimeter lange og ikke er optimale til fotonisk kredsløbsintegration. Omvendt på nanoskala, effektiviteten af ​​SPDC-processen hindres af det lille volumen af ​​resonatorerne, og retningsbestemmelsen af ​​de udsendte fotoner er udfordrende at kontrollere.

Dielektriske metaoverflader tilbyder en lovende rute til at forbedre og skræddersy SPDC-fotonemission. Til dato, imidlertid, metasurfaces har brugt relativt lav kvalitetsfaktor Mie-resonanser og har derfor et bredt emissionsspektrum, hvilket begrænser fotonernes spektrale lysstyrke. Ny forskning afslører, at udvidede Bound States in the Continuum (BIC) resonanser gør det muligt at udnytte tilstande i metaoverfladen, der har meget høje kvalitetsfaktorer. Dette betyder igen, at foton-par-genereringen inde i resonatorerne forstærkes med mange størrelsesordener, og fotonernes bølgelængde vil have en meget smal båndbredde. Dette resulterer i en meget høj spektral lysstyrke, hvilket er gavnligt for kvantenetværksapplikationer.

Som rapporteret i Avanceret fotonik , et internationalt team af forskere fra Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, og Andrey A. Sukhorukov), Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti og Giuseppe Della Valle) og ITMO University of St. Petersburg (Alexander Poddubny) demonstrerede for nylig forbedret generering af ikke-degenererede fotonpar i ikke-lineære metasurfaces. I en række omfattende simuleringer, de brugte separate BIC'er ved lidt forskellige bølgelængder til signal- og tomgangsfotonerne i SPDC, hvilket gjorde dem i stand til at forbedre lysstyrken af ​​sammenfiltrede fotoner med fem størrelsesordener i forhold til en umønstret tynd film af ikke-lineært materiale. De tilskriver denne forbedring i vid udstrækning til det nye fænomen med hyperbolsk tværgående fasematchning, som letter effektiv fotongenerering på tværs af en bred vifte af fotonmomentum.

Ikke alene muliggør deres foreslåede metode generering af fotonpar, der er kvante-sammenfiltrede, men ved blot at ændre den lineære polarisering af pumpelaseren er det muligt at tune polarisationssammenfiltringen af ​​fotonerne fra fuld til ingen. Dette er en let implementeret måde at kontrollere sammenfiltringen på, så det opfylder kravene til kommende ansøgninger. Den foreslåede platform er også meget konfigurerbar med hensyn til både bølgelængden af ​​signalet og tomgangsfotonerne samt de anvendte BIC'er, hvilket åbner muligheden for at konstruere retningen, hvori fotoner udsendes.

Forskerne, hvis arbejde er støttet af Australian Research Council og af Europa-Kommissionens Horizon 2020-program, sige, at deres fremskridt er et vigtigt skridt hen imod miniaturiserede kvanteenheder til hverdagsbrug.