Fontes de luz quântica ultrafinas:cientistas mostram que interações excitônicas aumentam a eficiência da geração de fótons emaranhados

*Os cientistas fizeram um avanço no desenvolvimento de fontes de luz quântica ultrafinas, demonstrando como as interações excitônicas podem aumentar significativamente a eficiência da geração de fótons emaranhados.*

As fontes de luz quântica são componentes cruciais em várias tecnologias quânticas, como computação quântica, comunicação quântica e metrologia quântica. Estas fontes emitem fotões que estão emaranhados, o que significa que as suas propriedades estão ligadas de uma forma que não pode ser explicada pela física clássica. Esse emaranhamento é um recurso fundamental para muitas tecnologias quânticas e permite tarefas como comunicação segura e medições de alta precisão.

Tradicionalmente, os fótons emaranhados são gerados usando cristais não lineares volumosos, que normalmente têm vários milímetros de espessura. Esses cristais requerem altas potências de bombeamento e apresentam baixa eficiência, limitando suas aplicações práticas. Para superar esses desafios, os pesquisadores têm explorado fontes de luz quântica ultrafinas, que oferecem potencial para dispositivos compactos, eficientes e escaláveis.

Num estudo recente publicado na revista Nature Photonics , cientistas da Universidade de Tóquio, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS) e da Universidade de Eletrocomunicações do Japão mostraram como as interações excitônicas podem aumentar a eficiência da geração de fótons emaranhados em fontes de luz quântica ultrafinas.

A equipe, liderada pelo professor Yasuhiko Arakawa, fabricou heteroestruturas semicondutoras ultrafinas consistindo em camadas alternadas de arsenieto de gálio (GaAs) e arsenieto de alumínio (AlAs). Essas heteroestruturas exibem fortes interações excitônicas, onde elétrons e lacunas no material semicondutor formam estados ligados chamados excitons. Os excitons têm propriedades distintas que podem ser exploradas para melhorar as interações luz-matéria e melhorar a eficiência da geração de fótons.

Ao projetar cuidadosamente a espessura e a composição das heteroestruturas, os pesquisadores conseguiram uma geração altamente eficiente de fótons emaranhados. Eles observaram um aumento significativo na taxa de emissão de fótons emaranhados em comparação com fontes de luz quântica ultrafinas convencionais sem interações excitônicas.

A maior eficiência é atribuída ao efeito Purcell, que descreve a modificação das taxas de emissão espontânea na presença de cavidades ópticas ressonantes. Nas heteroestruturas ultrafinas, os excitons atuam como emissores localizados, e as fortes interações excitônicas criam um ambiente favorável para o efeito Purcell. Isso leva a uma emissão mais rápida e eficiente de fótons emaranhados.

O estudo representa um passo significativo no desenvolvimento de fontes de luz quântica ultrafinas. A geração eficiente de fótons emaranhados nessas estruturas ultrafinas abre caminho para a realização de dispositivos quânticos compactos e de alto desempenho e abre novas possibilidades para processamento quântico de informações e tecnologias de comunicação.

“Nossas descobertas fornecem um caminho promissor para o desenvolvimento de fontes práticas de luz quântica”, diz o professor Arakawa. "Ao aproveitar as interações excitônicas, podemos alcançar a geração eficiente de fótons emaranhados em semicondutores ultrafinos, permitindo a miniaturização e integração de dispositivos quânticos para futuras tecnologias quânticas."