Neue Metalle ebnen den Weg für eine fortschrittliche Kontrolle der Quantenemission

8. August 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Quantenemission ist von entscheidender Bedeutung für die Realisierung photonischer Quantentechnologien. Festkörper-Einzelphotonenemitter (SPEs), wie z. B. Defekte aus hexagonalem Bornitrid (hBN), arbeiten bei Raumtemperatur. Sie sind aufgrund ihrer Robustheit und Helligkeit äußerst begehrt.

Der herkömmliche Weg, Photonen von SPEs zu sammeln, basiert auf einer Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur (NA) oder mikrostrukturierten Antennen. Obwohl die Effizienz der Photonensammlung hoch sein kann, können diese Werkzeuge die Quantenemissionen nicht manipulieren. Um jede gewünschte Strukturierung der emittierten Quantenlichtquelle zu erreichen, sind mehrere voluminöse optische Elemente wie Polarisatoren und Phasenplatten erforderlich.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel hat ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Chi Li und Haoran Ren von der Monash University ein neues multifunktionales Metall zur Strukturierung von Quantenemissionen von SPEs entwickelt.

Die Fähigkeit, einen optischen Strahl beliebig in verschiedene Raumformen umzuwandeln, ist für Quantenlichtquellen von wesentlicher Bedeutung. Metaoberflächen haben die Landschaft des photonischen Designs verändert. Es hat zu großen technologischen Fortschritten geführt, von der optischen Bildgebung und Holographie bis hin zu LiDAR und molekularer Sensorik.

Kürzlich wurde die direkte Integration nanoskaliger Emitter in nanostrukturierte Resonatoren und Metaoberflächen entwickelt, um die grundlegende Anpassung der SPEs-Emission zu erfassen und zu demonstrieren. Diese ersten Demonstrationen machten die Notwendigkeit flacher Optiken deutlich, um die Manipulation der Quantenemission voranzutreiben.

Das Forschungsteam hat sich mit diesem Problem befasst, indem es ein multifunktionales Metallobjekt entworfen und konstruiert hat. Die neuen Metalene wurden von den koreanischen Physikern Dr. Jaehyuck Jang und Trevon Badloe sowie Professor Junsuk Rho an der Pohang University of Science and Technology hergestellt. Es kann gleichzeitig die Freiheitsgrade Richtung, Polarisation und Bahndrehimpuls (OAM) anpassen. Sie nutzten die Metalle, um eine mehrdimensionale Strukturierung der Quantenemission von SPEs in hBN bei Raumtemperatur zu demonstrieren.

Das Team demonstrierte die willkürliche Formung der Richtung der Quantenemission. Sie zeigten auch, dass dem Metallprofil unterschiedliche helikale Wellenfronten hinzugefügt werden können, was zur Erzeugung charakteristischer OAM-Moden in orthogonalen Polarisationen von SPEs führt. Die bahnbrechende experimentelle Arbeit wurde an der University of Technology Sydney und TMOS (einem Exzellenzzentrum des Australian Research Council) unter der Leitung von Professor Igor Aharonovich durchgeführt.

Die demonstrierte willkürliche Wellenfrontformung der Quantenemission in mehreren Freiheitsgraden könnte das volle Potenzial von Festkörper-SPEs für den Einsatz als hochdimensionale Quantenquellen für fortgeschrittene quantenphotonische Anwendungen freisetzen.

Die neue Technologie des Teams bietet eine neue Plattform für den Einsatz ultradünner Metaoptiken zur willkürlichen Wellenfrontformung der Quantenemission in mehreren Freiheitsgraden bei Raumtemperatur. Es könnte neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Quanteninformationswissenschaft liefern. Das Team glaubt, dass die Manipulation von Photonenpolarisationen durch verbesserte Filterung einen erheblichen Einfluss auf die Quantenkryptographie und die Verschränkungsverteilung haben kann. Die Polarisationstrennung ist für die zukünftige Verwendung von hBN-SPEs zur Erzeugung polarisationsverschränkter Photonenpaare von entscheidender Bedeutung.

Zukünftige Erweiterungen der Metalene könnten die Erzeugung hochdimensionaler Einzelphotonen-Hybridquantenzustände ermöglichen. Jede zukünftige Integration strukturierter SPE-Quellen mit einer zuverlässigen Übertragungsumgebung wie Glasfasern könnte ein Quantennetzwerk mit höherer Informationskapazität, Robustheit gegenüber Rauschen und besserer Sicherheit versprechen.

Mehr Informationen: Chi Li et al, Beliebig strukturierte Quantenemission mit einem multifunktionalen Metall, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00052-4

Zeitschrifteninformationen:eLight

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