Nuovi metalli aprono la strada al controllo avanzato delle emissioni quantistiche

8 agosto 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

L’emissione quantistica è fondamentale per realizzare tecnologie quantistiche fotoniche. Gli emettitori di singoli fotoni (SPE) a stato solido, come i difetti di nitruro di boro esagonale (hBN), funzionano a temperatura ambiente. Sono altamente desiderabili per la loro robustezza e luminosità.

Il modo convenzionale per raccogliere fotoni dagli SPE si basa su una lente obiettivo ad alta apertura numerica (NA) o antenne microstrutturate. Sebbene l’efficienza della raccolta dei fotoni possa essere elevata, questi strumenti non possono manipolare le emissioni quantistiche. Per ottenere la strutturazione desiderata della sorgente di luce quantistica emessa sono necessari più elementi ottici ingombranti, come polarizzatori e piastre di fase.

In un nuovo articolo pubblicato su eLight, un team internazionale di scienziati guidati dai dottori Chi Li e Haoran Ren della Monash University hanno sviluppato un nuovo metallo multifunzionale per strutturare le emissioni quantistiche degli SPE.

La capacità di trasformare arbitrariamente un raggio ottico in diverse forme spaziali è essenziale per le sorgenti di luce quantistica. Le metasuperfici hanno trasformato il panorama del design fotonico. Ha portato a importanti progressi tecnologici dall’imaging ottico e dall’olografia al LiDAR e al rilevamento molecolare.

Recentemente, l'integrazione diretta di emettitori su scala nanometrica in risonatori e metasuperfici nanostrutturati è stata progettata per raccogliere e dimostrare la personalizzazione di base dell'emissione SPE. Queste dimostrazioni iniziali hanno costituito la necessità dell’ottica piatta per far avanzare la manipolazione dell’emissione quantistica.

Il gruppo di ricerca ha affrontato questo problema progettando e ingegnerizzando un metalens multifunzionale. Il nuovo metallo è stato fabbricato dai fisici coreani Jaehyuck Jang e Trevon Badloe e dal professor Junsuk Rho presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pohang. Può personalizzare simultaneamente i gradi di libertà della direzionalità, della polarizzazione e del momento angolare orbitale (OAM). Hanno utilizzato i metalli per dimostrare una struttura multidimensionale dell'emissione quantistica degli SPE in hBN, operanti a temperatura ambiente.

Il team ha dimostrato la modellazione arbitraria della direzionalità dell’emissione quantistica. Hanno inoltre dimostrato che diversi fronti d'onda elicoidali potrebbero essere aggiunti al profilo delle metalline, portando alla generazione di modalità OAM distintive nelle polarizzazioni ortogonali degli SPE. Il lavoro sperimentale rivoluzionario è stato condotto presso l’Università della Tecnologia di Sydney e il TMOS (un centro di eccellenza del Consiglio di ricerca australiano) guidato dal professor Igor Aharonovich.

La dimostrata modellazione arbitraria del fronte d’onda dell’emissione quantistica in più gradi di libertà potrebbe liberare tutto il potenziale degli SPE a stato solido da utilizzare come sorgenti quantistiche ad alta dimensione per applicazioni fotoniche quantistiche avanzate.

La nuova tecnologia del team offre una nuova piattaforma per utilizzare la meta-ottica ultrasottile per la modellazione arbitraria del fronte d'onda dell'emissione quantistica in più gradi di libertà a temperatura ambiente. Potrebbe fornire nuove intuizioni nel campo della scienza dell’informazione quantistica. Il team ritiene che la manipolazione delle polarizzazioni dei fotoni possa avere un impatto significativo sulla crittografia quantistica e sulla distribuzione dell’entanglement con un migliore filtraggio. La separazione della polarizzazione è vitale per l'uso futuro degli SPE hBN per la generazione di coppie di fotoni entangled nella polarizzazione.

La futura estensione dei metalli potrebbe consentire la generazione di stati quantistici ibridi a singolo fotone ad alta dimensione. Qualsiasi futura integrazione di fonti SPE strutturate con un ambiente di trasmissione affidabile, come le fibre ottiche, potrebbe promettere una rete quantistica con maggiore capacità di informazione, robustezza al rumore e migliore sicurezza.