Ein Quantendurchbruch: Wie ein multifunktionales Metalen die Photonik verändert

Von Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS, 12. August 2023

Künstlerische Darstellung eines multifunktionalen Metalls, das zur willkürlichen Formung der Quantenemission von 2D-hexagonalem Bornitrid verwendet wird. Bildnachweis: Chi Li, Jaehyuck Jang, Trevon Badloe, Tieshan Yang, Joohoon Kim, Jaekyung Kim, Minh Nguyen, Stefan A. Maier, Junsuk Rho, Haoran Ren, Igor Aharonovich

Scientists have developed a multifunctional metalens capable of structuring quantum emissions from single photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Photonenemitter. Diese Innovation ermöglicht die Manipulation von Quantenemissionen und verspricht neue Fortschritte in der Quantentechnologie, einschließlich möglicher Auswirkungen auf Kryptographie und Informationssicherheit.

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 Artikel, der kürzlich in der Zeitschrift eLight veröffentlicht wurde, hat ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Chi Li und Haoran Ren von der Monash University haben 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.

Metasurfaces have transformed the landscape of photonic design. It has led to major technological advances from optical imaging and holography to LiDAR and molecular sensing. Recently, the direct integration of nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> nanoskalige Emitter in nanostrukturierte Resonatoren und Metaoberflächen wurde 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 Metalle wurden von den koreanischen Physikern Dr. Jaehyuck Jang und Trevon Badloe sowie Professor Junsuk Rho an der Pohang University of Science and Technology. 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.

Referenz: „Beliebig strukturierte Quantenemission mit einem multifunktionalen Metall“ von Chi Li, Jaehyuck Jang, Trevon Badloe, Tieshan Yang, Joohoon Kim, Jaekyung Kim, Minh Nguyen, Stefan A. Maier, Junsuk Rho, Haoran Ren und Igor Aharonovich, 7. August 2023, eLight.DOI: 10.1186/s43593-023-00052-4