Wetenschappers stellen een nieuw ontwerp voor om een ​​zeer directionele bron met één foton te implementeren

Een team van onderzoekers van het Institute of Optics of CSIC en het Institute of Photonic Sciences (ICFO) van Barcelona heeft een nieuw ontwerp voorgesteld om zeer directionele single-photon-bronnen te implementeren, wat een verbetering vormt ten opzichte van de huidige bestaande kwantumtechnologieën. Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nanofotonica.

Het genereren van enkele fotonen langs goed gedefinieerde richtingen vereist zeer geavanceerde systemen, maar dit nieuwe voorstel biedt een eenvoudigere en efficiëntere oplossing.

Het werk stelt het gebruik voor van een kwantumzender (molecuul of atoom dat een enkel foton uitzendt wanneer het overgaat naar een lagere energietoestand) ingebracht in een eendimensionale golfgeleider gevormd door een periodieke structuur. Deze structuur is ontworpen om een ​​enkele geleide lichtmodus te ondersteunen in het spectrale bereik van de kwantumzender.

Als resultaat worden de door de kwantumzender uitgezonden fotonen bij voorkeur gekoppeld aan deze golfgeleidermodus, wat resulteert in een hoge directionaliteit en het verminderen van de tijdelijke onzekerheid van de emissie met meer dan twee ordes van grootte.

Enkele fotonenbronnen zijn fundamentele componenten in kwantumoptische apparaten die tegenwoordig worden gebruikt in computers, cryptografie en kwantummetrologie. Deze apparaten maken gebruik van kwantumzenders die, na excitatie, enkele fotonen produceren met een waarschijnlijkheid van bijna 100% en emissietijden in de orde van enkele tot tientallen nanoseconden.

De kwaliteit van een enkele fotonenbron hangt af van zijn vermogen (i) om enkele fotonen met hoge efficiëntie te extraheren, (ii) om de onzekerheid over de emissietijd te verminderen, (iii) om de herhalingssnelheid te verhogen, en (iv) om twee-fotonen uit te sluiten evenementen.

Deze studie presenteert een nieuwe benadering die de extractie-efficiëntie kan verbeteren en de onzekerheid over de emissietijd kan verminderen door gebruik te maken van het Purcell-effect. Dit effect bestaat uit de wijziging van de emissiekans van een kwantumzender als gevolg van de interactie met zijn omgeving.

In tegenstelling tot eerdere benaderingen die twee- of driedimensionale structuren nodig hebben om een ​​geleide modus te verkrijgen, heeft deze nieuwe benadering alleen een eendimensionaal systeem nodig. Het voorgestelde ontwerp kan worden geïmplementeerd met een grote verscheidenheid aan materialen en is zeer robuust tegen fabricage-imperfecties. Bovendien heeft het als eendimensionaal systeem een ​​veel kleinere voetafdruk dan eerder voorgestelde tweedimensionale fotonische kristalstructuren, wat voordelen biedt voor de integratie van het apparaat op een chip.

In principe zendt de kwantumzender in de golfgeleider fotonen uit in beide richtingen van de golfgeleider, maar er zijn strategieën om de fotonen slechts in één richting uit te zenden. Het is bijvoorbeeld mogelijk om circulair gepolariseerde emitters te gebruiken (waarin het elektrische veld van het foton roteert terwijl het licht zich voortplant) of om één uiteinde van de golfgeleider aan te passen om een ​​Bragg-reflector te implementeren.

Hoewel deze studie zich heeft gericht op golfgeleiders gevormd door sferische nanostructuren, kunnen de resultaten gemakkelijk worden toegepast op andere soorten elementen, zoals periodieke golvingen in een rechthoekige golfgeleider.

Dit is een onderzoekswerk van wetenschappers Alejandro Manjavacas, van het “Daza de Valdés” Instituut voor Optica van CSIC en F. Javier García de Abajo, van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) van Barcelona.