Ett team av forskare från Institute of Optics of CSIC och Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Barcelona har föreslagit en ny design för att implementera mycket riktade enfotonkällor, vilket utgör en förbättring jämfört med nuvarande kvantteknologier. Verket publiceras i tidskriften Nanophotonics .
Genereringen av enstaka fotoner längs väldefinierade riktningar kräver mycket sofistikerade system, men detta nya förslag erbjuder en enklare och effektivare lösning.
Arbetet föreslår användningen av en kvantemitter (molekyl eller atom som sänder ut en enda foton när den övergår till ett lägre energitillstånd) som infogas i en endimensionell vågledare som bildas av en periodisk struktur. Denna struktur är utformad för att stödja ett enda styrt ljusläge i kvantemitterns spektralområde.
Som ett resultat är fotonerna som emitteras av kvantemittern företrädesvis kopplade till detta vågledarläge, vilket resulterar i hög riktning och minskar den tidsmässiga osäkerheten för emissionen med mer än två storleksordningar.
Enskilda fotonkällor är grundläggande komponenter i kvantoptiska enheter som används idag inom datoranvändning, kryptografi och kvantmetrologi. Dessa enheter använder kvantemitter som efter excitation producerar enstaka fotoner med en sannolikhet nära 100 % och emissionstider i storleksordningen några till tiotals nanosekunder.
Kvaliteten hos en enskild fotonkälla beror på dess förmåga (i) att extrahera enstaka fotoner med hög effektivitet, (ii) att minska osäkerheten vid emissionstid, (iii) att öka upprepningshastigheten och (iv) att utesluta tvåfotoner händelser.
Denna studie presenterar ett nytt tillvägagångssätt som kan förbättra utvinningseffektiviteten och minska osäkerheten om utsläppstid genom att utnyttja Purcell-effekten. Denna effekt består av modifieringen av emissionssannolikheten för en kvantemitter på grund av interaktionen med dess omgivning.
Till skillnad från tidigare tillvägagångssätt som kräver två- eller tredimensionella strukturer för att erhålla ett styrt läge, behöver detta nya tillvägagångssätt bara ett endimensionellt system. Den föreslagna designen kan implementeras med en mängd olika material och är mycket robust mot tillverkningsfel. Dessutom, som ett endimensionellt system, har det ett mycket mindre fotavtryck än tidigare föreslagna tvådimensionella fotoniska kristallstrukturer, vilket ger fördelar för integreringen av enheten på ett chip.
I princip sänder kvantemittern som finns i vågledaren ut fotoner längs vågledarens båda riktningar, men det finns strategier för att sända ut fotonerna i endast en riktning. Till exempel är det möjligt att använda cirkulärt polariserade sändare (där fotonens elektriska fält roterar när ljuset fortplantar sig) eller modifiera ena änden av vågledaren för att implementera en Bragg-reflektor.
Även om denna studie har fokuserat på vågledare som bildas av sfäriska nanostrukturer, kan resultaten lätt appliceras på andra typer av element, såsom periodiska korrugeringar i en rektangulär vågledare.
Detta är ett forskningsarbete av forskarna Alejandro Manjavacas, från "Daza de Valdés" Institute of Optics of CSIC och F. Javier García de Abajo, från Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Barcelona.
Mer information: Alejandro Manjavacas et al, Mycket riktad enfotonkälla, Nanofotonik (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0276
Tillhandahålls av spanska nationella forskningsrådet
