En nyligen genomförd studie har avslöjat ett betydande framsteg mot integration på chip av enfotonkällor vid rumstemperatur. Denna prestation representerar ett betydande steg framåt inom området kvantfotonik och lovar för olika tillämpningar, inklusive kvantberäkning, kryptografi och avkänning.
Den viktigaste innovationen ligger i att implementera en hybrid metall-dielektrisk bullseye-antenn, som ger exceptionell fotonriktning. Denna nya antenndesign möjliggör effektiv backexcitering av fotoner genom att placera emittern i ett subvåglängdshål placerat i mitten av antennen. Denna konfiguration möjliggör både direkt bakåtexcitering och högeffektiv frontkoppling av emission till optik med låg numerisk apertur eller optiska fibrer.
Studien visar mångsidigheten hos detta koncept genom att tillverka enheter som innehåller antingen kolloidala kvantprickar eller nanodiamanter som innehåller kisel-vakanscentra, båda är utmärkta enfotonemitters även vid rumstemperatur. Dessa sändare placerades exakt med två distinkta nanopositioneringsmetoder.
Anmärkningsvärt nog uppvisade båda typerna av ryggexciterade enheter en frontuppsamlingseffektivitet på cirka 70 % vid numeriska öppningar så låga som 0,5. Detta innebär att man kan använda mycket enkla och kompakta optiska element och ändå samla de flesta fotonerna i den önskade kanalen eller exakt skicka de emitterade fotonerna till en närliggande optisk fiber utan att behöva någon extra kopplingsoptik.
Detta är en nyckelingrediens för att integrera kvantljuskällor i riktiga kvantsystem. Denna strömlinjeformade process lovar att förenkla framtida integrationsinsatser och påskynda realiseringen av praktiska kvantfotoniska enheter.
Forskningsuppsatsen med titeln "Room-Temperature Fiber-Coupled Single-Photon Sources based on Colloidal Quantum Dots and SiV Centers in Back-Excited Nanoantennas" publiceras i Nano Letters .
Arbetet leddes av Boaz Lubotzky under sin doktorsexamen. forskning, tillsammans med prof. Ronen Rapaport från Racah Institute of Physics vid Hebrew University of Jerusalem, i samarbete med team från Los Alamos National Laboratory och från Ulm University i Tyskland.
Lubotzky kommenterade betydelsen av denna prestation och sa:"Genom att övervinna viktiga utmaningar förknippade med on-chip integration av enfotonkällor, har vi öppnat upp spännande nya möjligheter för utveckling av avancerad kvantteknologi."
Den framgångsrika integreringen av enfotonkällor på små chips vid rumstemperatur, som uppnås genom den innovativa användningen av en hybridmetall-dielektrisk bullseye-antenn, har omedelbara tillämpningar för att främja kvantkryptografi för säker kommunikation, förbättra avkänningsteknologier och effektivisera integrationsprocessen för praktiska kvantfotoniska enheter.
Studiens resultat öppnar dörrar för kommersiella tillämpningar och utveckling av nya produkter inom det växande området kvantteknologi.
Mer information: Boaz Lubotzky et al, rumstemperaturfiberkopplade enfotokällor baserade på kolloidala kvantprickar och SiV-centra i ryggexciterade nanoantenner, nanobokstäver (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03672
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Hebrew University of Jerusalem
