Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Óptica do CSIC e do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) de Barcelona propôs um novo projeto para implementar fontes de fóton único altamente direcionais, o que constitui uma melhoria em relação às tecnologias quânticas atualmente existentes. O trabalho está publicado na revista Nanophotonics .



A geração de fótons únicos ao longo de direções bem definidas requer sistemas altamente sofisticados, mas esta nova proposta oferece uma solução mais simples e eficiente.

O trabalho propõe a utilização de um emissor quântico (molécula ou átomo que emite um único fóton quando transita para um estado de menor energia) inserido em um guia de ondas unidimensional formado por uma estrutura periódica. Esta estrutura foi projetada para suportar um único modo de luz guiado na faixa espectral do emissor quântico.

Como resultado, os fótons emitidos pelo emissor quântico são preferencialmente acoplados a este modo de guia de ondas, resultando em alta direcionalidade e reduzindo a incerteza temporal da emissão em mais de duas ordens de grandeza.

Fontes de fótons únicos são componentes fundamentais em dispositivos ópticos quânticos usados ​​atualmente em computação, criptografia e metrologia quântica. Esses dispositivos utilizam emissores quânticos que, após excitação, produzem fótons únicos com probabilidade próxima de 100% e tempos de emissão da ordem de alguns a dezenas de nanossegundos.

A qualidade de uma fonte de fóton único depende de sua capacidade (i) de extrair fótons únicos com alta eficiência, (ii) de reduzir a incerteza do tempo de emissão, (iii) de aumentar a taxa de repetição e (iv) de descartar a possibilidade de dois fótons. eventos.

Este estudo apresenta uma nova abordagem que pode melhorar a eficiência da extração e reduzir a incerteza do tempo de emissão, explorando o efeito Purcell. Este efeito consiste na modificação da probabilidade de emissão de um emissor quântico devido à interação com o seu ambiente.

Ao contrário das abordagens anteriores que requerem estruturas bidimensionais ou tridimensionais para obter um modo guiado, esta nova abordagem necessita apenas de um sistema unidimensional. O projeto proposto pode ser implementado com uma ampla variedade de materiais e é muito robusto a imperfeições de fabricação. Além disso, por ser um sistema unidimensional, possui uma pegada muito menor do que as estruturas cristalinas fotônicas bidimensionais propostas anteriormente, proporcionando vantagens para a integração do dispositivo em um chip.

Em princípio, o emissor quântico localizado no guia de ondas emite fótons ao longo de ambas as direções do guia de ondas, mas existem estratégias para emitir os fótons em apenas uma direção. Por exemplo, é possível usar emissores polarizados circularmente (nos quais o campo elétrico do fóton gira à medida que a luz se propaga) ou modificar uma extremidade do guia de ondas para implementar um refletor de Bragg.

Embora este estudo tenha se concentrado em guias de ondas formados por nanoestruturas esféricas, os resultados podem ser facilmente aplicados a outros tipos de elementos, como ondulações periódicas em um guia de ondas retangular.

Este é um trabalho de investigação dos cientistas Alejandro Manjavacas, do Instituto de Óptica "Daza de Valdés" do CSIC e F. Javier García de Abajo, do Instituto de Ciências Fotónicas (ICFO) de Barcelona.

Mais informações: Alejandro Manjavacas et al, Fonte de fóton único altamente direcional, Nanofotônica (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0276
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