Metasurfaces tilbyder nye muligheder for kvanteforskning

Forskere fra Max Planck Institute for the Science of Light og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg har i samarbejde med Sandia National Laboratories med succes skabt fotonpar ved flere forskellige frekvenser ved hjælp af resonante metaoverflader.

En foton er kvantemet (den mindste mængde involveret i en interaktion) af enhver form for elektromagnetisk stråling, såsom lys. Fotoner er essentielle for en række aktuelle forskningsfelter og teknologier, såsom kvantetilstandsteknik, som igen repræsenterer hjørnestenen i alle kvantefotoniske teknologier. Ved hjælp af kvantefotonik arbejder videnskabsmænd og ingeniører på at skabe nye teknologier såsom nye former for kryptering til meget sikre kommunikationskanaler og nye typer supercomputere.

Et af nøglekravene til kvantetilstandsteknik er skabelsen af ​​fotonpar. Dette er traditionelt blevet opnået gennem brugen af ​​en af ​​de to ikke-lineære effekter, spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) eller spontan firebølgeblanding (SFWM), i optiske bulkelementer. De ikke-lineære effekter får en eller to pumpefotoner til spontant at henfalde til et fotonpar.

Disse effekter kræver imidlertid streng momentumbevarelse for de involverede fotoner. Ethvert materiale, som fotonerne skal rejse igennem, har dispersionsegenskaber, hvilket forhindrer momentumbevarelse. Der er teknikker, der stadig opnår den nødvendige bevaring, men de begrænser i høj grad alsidigheden af ​​de tilstande, hvori fotonparrene kan produceres. Som et resultat, selvom traditionelle optiske elementer som ikke-lineære krystaller og bølgeledere med succes har produceret mange fotoniske kvantetilstande, er deres brug begrænset og uhåndterlig. Så for nylig har forskere kigget mod såkaldte optiske metasurfaces.

Producerer fotonpar med metasurflader

Metasurfaces er ultratynde plane optiske enheder, der består af arrays af nanoresonatorer. Deres subbølgelængdetykkelse (et par hundrede nanometer) gør dem effektivt todimensionelle. Det gør dem meget nemmere at håndtere end traditionelle voluminøse optiske enheder. Endnu vigtigere er det, på grund af den mindre tykkelse, er momentumbevarelsen af ​​fotonerne afslappet, fordi fotonerne skal rejse gennem langt mindre materiale end med traditionelle optiske enheder:ifølge usikkerhedsprincippet fører indespærring i rummet til udefineret momentum. Dette gør det muligt for flere ikke-lineære og kvanteprocesser at ske med sammenlignelige effektiviteter og åbner døren for brugen af ​​mange nye materialer, der ikke ville fungere i traditionelle optiske elementer.

Af denne grund, og også på grund af at de er kompakte og mere praktiske at håndtere end voluminøse optiske elementer, kommer metaoverflader i fokus som kilder til fotonpar til kvanteeksperimenter. Derudover kunne metaoverflader samtidig transformere fotoner i flere frihedsgrader, såsom polarisering, frekvens og vej.

Tomás Santiago-Cruz og Maria Chekhova fra Max Planck Institute for the Science of Light og Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg i samarbejde med forskningsgruppen Igal Brener ved Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico, har nu taget et nyt skridt i at opnå netop det. I et papir for nylig offentliggjort i Science journal demonstrerede Chekhova og hendes kolleger for første gang, hvordan metaoverflader producerer par af fotoner med to forskellige bølgelængder.

Desuden kan fotoner af en bestemt bølgelængde parres med fotoner på to eller flere forskellige bølgelængder samtidigt. På denne måde kan man skabe flere forbindelser mellem fotoner af forskellig farve. Derudover øger resonanser af metaoverfladen hastigheden af ​​fotonemission med flere størrelsesordener sammenlignet med ensartede kilder af samme tykkelse. Tomás Santiago-Cruz mener, at metasurfaces vil spille en nøglerolle i fremtidig kvanteforskning:"Metasurfaces fører til et paradigmeskifte inden for kvanteoptik, der kombinerer ultra små kilder til kvantelys med vidtrækkende muligheder for kvantetilstandsteknik."

I fremtiden kan disse funktioner bruges til at bygge meget store komplicerede kvantetilstande, som er nødvendige for kvanteberegning. Desuden muliggør den slanke profil af metasurfaces og deres multifunktionelle drift udvikling af mere avancerede kompakte enheder, der kombinerer generering, transformation og detektion af kvantetilstande. Maria Chekhova er begejstret for den vej, deres forskning har taget:"Kilderne til vores fotoner bliver mindre og mindre, mens deres muligheder på samme tid bare bliver bredere og bredere." + Udforsk yderligere

Generering af sammenfiltrede fotoner med ikke-lineære metaoverflader