Ultratynde kvantelyskilder:Forskere viser excitoniske interaktioner, der øger effektiviteten af ​​sammenfiltret fotongenerering

*Forskere har gjort et gennembrud i udviklingen af ​​ultratynde kvantelyskilder og demonstrerer, hvordan excitoniske vekselvirkninger markant kan forbedre effektiviteten af ​​indfiltrede fotoner.*

Kvantelyskilder er afgørende komponenter i forskellige kvanteteknologier, såsom kvanteberegning, kvantekommunikation og kvantemetrologi. Disse kilder udsender fotoner, der er sammenfiltret, hvilket betyder, at deres egenskaber er forbundet på en måde, der ikke kan forklares af klassisk fysik. Denne sammenfiltring er en grundlæggende ressource for mange kvanteteknologier og muliggør opgaver som sikker kommunikation og højpræcisionsmålinger.

Traditionelt genereres sammenfiltrede fotoner ved hjælp af voluminøse ikke-lineære krystaller, som typisk er flere millimeter tykke. Disse krystaller kræver høje pumpekræfter og lider under lav effektivitet, hvilket begrænser deres praktiske anvendelser. For at overvinde disse udfordringer har forskere udforsket ultratynde kvantelyskilder, som tilbyder potentialet for kompakte, effektive og skalerbare enheder.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics , har forskere fra University of Tokyo, National Institute for Materials Science (NIMS) og University of Electro-Communications i Japan vist, hvordan excitoniske interaktioner kan øge effektiviteten af ​​sammenfiltret fotongenerering i ultratynde kvantelyskilder.

Holdet, ledet af professor Yasuhiko Arakawa, fremstillede ultratynde halvleder-heterostrukturer bestående af vekslende lag af galliumarsenid (GaAs) og aluminiumarsenid (AlAs). Disse heterostrukturer udviser stærke excitoniske interaktioner, hvor elektroner og huller i halvledermaterialet danner bundne tilstande kaldet excitoner. Excitoner har særskilte egenskaber, der kan udnyttes til at forbedre lys-stof-interaktioner og forbedre effektiviteten af ​​fotongenerering.

Ved omhyggeligt at designe tykkelsen og sammensætningen af ​​heterostrukturerne var forskerne i stand til at opnå højeffektiv generering af sammenfiltrede fotoner. De observerede en signifikant stigning i emissionshastigheden af ​​sammenfiltrede fotoner sammenlignet med konventionelle ultratynde kvantelyskilder uden excitoniske interaktioner.

Den forbedrede effektivitet tilskrives Purcell-effekten, som beskriver ændringen af ​​spontane emissionshastigheder i nærvær af resonans optiske hulrum. I de ultratynde heterostrukturer fungerer excitonerne som lokaliserede emittere, og de stærke excitoniske interaktioner skaber et gunstigt miljø for Purcell-effekten. Dette fører til hurtigere og mere effektiv emission af sammenfiltrede fotoner.

Undersøgelsen repræsenterer et væsentligt skridt fremad i udviklingen af ​​ultratynde kvantelyskilder. Den effektive generering af sammenfiltrede fotoner i disse ultratynde strukturer baner vejen for realiseringen af ​​kompakte, højtydende kvanteenheder og åbner op for nye muligheder for kvanteinformationsbehandling og kommunikationsteknologier.

"Vores resultater giver en lovende vej til udvikling af praktiske kvantelyskilder," siger professor Arakawa. "Ved at udnytte excitoniske interaktioner kan vi opnå effektiv generering af sammenfiltrede fotoner i ultratynde halvledere, hvilket muliggør miniaturisering og integration af kvanteenheder til fremtidige kvanteteknologier."