Novos metalens abrem caminho para controle avançado de emissão quântica

8 de agosto de 2023

Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

verificado

publicação revisada por pares

fonte confiável

revisar

pela Academia Chinesa de Ciências

A emissão quântica é fundamental para a realização de tecnologias quânticas fotônicas. Emissores de fótons únicos (SPEs) de estado sólido, como defeitos hexagonais de nitreto de boro (hBN), operam em temperatura ambiente. São altamente desejáveis ​​devido à sua robustez e brilho.

A maneira convencional de coletar fótons de SPEs depende de lentes objetivas de alta abertura numérica (NA) ou antenas microestruturadas. Embora a eficiência da recolha de fotões possa ser elevada, estas ferramentas não podem manipular as emissões quânticas. Vários elementos ópticos volumosos, como polarizadores e placas de fase, são necessários para alcançar qualquer estruturação desejada da fonte de luz quântica emitida.

Em um novo artigo publicado na eLight, uma equipe internacional de cientistas liderada pelos Drs. Chi Li e Haoran Ren da Monash University desenvolveu um novo metalens multifuncional para estruturar emissões quânticas de SPEs.

A capacidade de transformar arbitrariamente um feixe óptico em diferentes formas espaciais é essencial para fontes de luz quântica. As metasuperfícies transformaram a paisagem do design fotônico. Isso levou a grandes avanços tecnológicos, desde imagens ópticas e holografia até LiDAR e detecção molecular.

Recentemente, a integração direta de emissores em nanoescala em ressonadores e metasuperfícies nanoestruturados foi projetada para coletar e demonstrar a adaptação básica da emissão de SPEs. Essas demonstrações iniciais constituíram a necessidade da óptica plana para avançar na manipulação da emissão quântica.

A equipe de pesquisa abordou esta questão projetando e projetando um metalens multifuncional. Os novos metalens foram fabricados pelos físicos coreanos Drs. Jaehyuck Jang e Trevon Badloe e pelo professor Junsuk Rho da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang. Ele pode adaptar simultaneamente os graus de liberdade de direcionalidade, polarização e momento angular orbital (OAM). Eles utilizaram os metalens para demonstrar uma estruturação multidimensional da emissão quântica de SPEs em hBN, operando em temperatura ambiente.

A equipe demonstrou a modelagem arbitrária da direcionalidade da emissão quântica. Eles também mostraram que diferentes frentes de onda helicoidais poderiam ser adicionadas ao perfil dos metalens, levando à geração de modos OAM distintos em polarizações ortogonais de SPEs. O trabalho experimental inovador foi realizado na Universidade de Tecnologia de Sydney e no TMOS (um Centro de Excelência do Conselho Australiano de Pesquisa) liderado pelo professor Igor Aharonovich.

A modelagem arbitrária demonstrada da frente de onda da emissão quântica em vários graus de liberdade poderia liberar todo o potencial dos SPEs de estado sólido para serem usados ​​como fontes quânticas de alta dimensão para aplicações fotônicas quânticas avançadas.

A nova tecnologia da equipe oferece uma nova plataforma para usar metaóptica ultrafina para modelagem arbitrária de frentes de onda de emissão quântica em vários graus de liberdade à temperatura ambiente. Pode fornecer novos insights no campo da ciência da informação quântica. A equipe acredita que a manipulação das polarizações dos fótons pode ter um impacto significativo na criptografia quântica e na distribuição do emaranhamento com filtragem aprimorada. A separação da polarização é vital para o uso futuro de SPEs hBN para geração de pares de fótons emaranhados por polarização.

A extensão futura dos metalens poderia permitir a geração de estados quânticos híbridos de fóton único e de alta dimensão. Qualquer integração futura de fontes SPE estruturadas com um ambiente de transmissão confiável, como fibras ópticas, poderia prometer uma rede quântica com maior capacidade de informação, robustez ao ruído e melhor segurança.