Forskere foreslår nyt design til at implementere meget retningsbestemt enkeltfotonkilde

Et team af forskere fra Institute of Optics of CSIC og Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Barcelona har foreslået et nyt design til at implementere meget retningsbestemte enkeltfotonkilder, hvilket udgør en forbedring i forhold til nuværende kvanteteknologier. Værket er publiceret i tidsskriftet Nanophotonics .

Generering af enkelte fotoner langs veldefinerede retninger kræver meget sofistikerede systemer, men dette nye forslag tilbyder en enklere og mere effektiv løsning.

Værket foreslår brugen af ​​en kvanteemitter (molekyle eller atom, der udsender en enkelt foton, når den overgår til en lavere energitilstand) indsat i en endimensionel bølgeleder dannet af en periodisk struktur. Denne struktur er designet til at understøtte en enkelt styret lystilstand i kvanteemitterens spektrale område.

Som et resultat er fotonerne, der udsendes af kvanteemitteren, fortrinsvis koblet til denne bølgeledertilstand, hvilket resulterer i høj retningsbestemmelse og reducerer den tidsmæssige usikkerhed af emissionen med mere end to størrelsesordener.

Enkeltfotonkilder er grundlæggende komponenter i kvanteoptiske enheder, der bruges i dag inden for databehandling, kryptografi og kvantemetrologi. Disse enheder bruger kvanteemittere, der efter excitation producerer enkelte fotoner med en sandsynlighed tæt på 100 % og emissionstider i størrelsesordenen nogle få til titusinder af nanosekunder.

Kvaliteten af ​​en enkelt fotonkilde afhænger af dens evne (i) til at udtrække enkelte fotoner med høj effektivitet, (ii) at reducere emissionstidsusikkerhed, (iii) at øge gentagelseshastigheden og (iv) at udelukke to-foton begivenheder.

Denne undersøgelse præsenterer en ny tilgang, der kan forbedre udvindingseffektiviteten og reducere emissionstidsusikkerheden ved at udnytte Purcell-effekten. Denne effekt består af ændringen af ​​emissionssandsynligheden for en kvanteemitter på grund af interaktionen med dens miljø.

I modsætning til tidligere tilgange, der kræver to- eller tredimensionelle strukturer for at opnå en guidet tilstand, behøver denne nye tilgang kun et endimensionelt system. Det foreslåede design kan implementeres med en bred vifte af materialer og er meget robust over for fremstillingsfejl. Som et endimensionelt system har det desuden et meget mindre fodaftryk end tidligere foreslåede todimensionelle fotoniske krystalstrukturer, hvilket giver fordele for integrationen af ​​enheden på en chip.

I princippet udsender kvanteemitteren i bølgelederen fotoner langs begge retninger af bølgelederen, men der er strategier til kun at udsende fotonerne i én retning. For eksempel er det muligt at bruge cirkulært polariserede emittere (hvor fotonens elektriske felt roterer, mens lyset forplanter sig) eller modificere den ene ende af bølgelederen til at implementere en Bragg-reflektor.

Selvom denne undersøgelse har fokuseret på bølgeledere dannet af sfæriske nanostrukturer, kan resultaterne let anvendes på andre typer elementer, såsom periodiske korrugeringer i en rektangulær bølgeleder.

Dette er et forskningsarbejde udført af forskerne Alejandro Manjavacas fra "Daza de Valdés" Institut for Optik ved CSIC og F. Javier García de Abajo fra Institut for Fotoniske Videnskaber (ICFO) i Barcelona.

Flere oplysninger: Alejandro Manjavacas et al., Meget retningsbestemt enkeltfotonkilde, Nanofotonik (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0276

Leveret af det spanske nationale forskningsråd