Schema e nomenclatura per l'analisi teorica. Oltre a una pompa laser (per semplificazione, non disegnato qui), le modalità di ingresso del segnale (s1) e dell'idler (i1) entrano nel cristallo non lineare (NL). L'interazione nel cristallo porta alla generazione di segnale e fotoni idler nei modi di uscita s'1 e i'1, rispettivamente. Sono separati da un vetro rivestito di ossido di indio-stagno (ITO). in seguito, la radiazione del segnale e il raggio della pompa vengono riflessi nel cristallo dallo specchio Ms. Le modalità di ingresso per il secondo passaggio sono indicate con i2 e s2, che è, a causa dell'allineamento, uguale a s'1. La modalità idler i'1 passa attraverso l'oggetto (O), è riflesso dallo specchio Mi, e si propaga nuovamente attraverso l'oggetto. Funziona come un divisore di raggio (BS) con la seconda modalità di ingresso 3 e le modalità di uscita i''1 e 3′. Allineando le travi di rinvio, la modalità i''1 corrisponde a i2. Le modalità di uscita dopo il secondo passaggio sono s'2 e i''2. Scorso, la radiazione del segnale (in modalità s'2) viene rilevata dal rivelatore. Il riquadro mostra il segnale di interferenza simulato nelle regioni Stokes (rosso) e anti-Stokes (blu) in base al modello dettagliato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
I fisici quantistici si affidano al rilevamento quantistico come metodo altamente attraente per accedere alle regioni spettrali e rilevare i fotoni (piccoli pacchetti di luce) che sono generalmente tecnicamente impegnativi. Possono raccogliere informazioni sui campioni nella regione spettrale di interesse e trasferire i dettagli tramite correlazioni bifotoniche in un'altra gamma spettrale con rivelatori altamente sensibili. Il lavoro è particolarmente vantaggioso per la radiazione terahertz senza rivelatori a semiconduttore, dove i fisici devono invece utilizzare schemi di rilevamento coerenti o bolometri raffreddati criogenicamente. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Mirco Kutas e un team di ricerca nei dipartimenti di matematica industriale e fisica in Germania hanno descritto la prima dimostrazione del rilevamento quantistico nella gamma di frequenze dei terahertz. Durante gli esperimenti, Le frequenze terahertz hanno interagito con un campione nello spazio libero e hanno fornito informazioni sullo spessore del campione rilevando i fotoni visibili. Il team ha ottenuto misurazioni dello spessore dello strato con fotoni terahertz basati sull'interferenza di bifotoni. Poiché la capacità di misurare lo spessore dello strato in modo non distruttivo è di grande rilevanza industriale, Kuta et al. ci aspettiamo che questi esperimenti siano un primo passo verso il rilevamento quantistico industriale.
Il rilevamento e l'imaging quantistico è uno schema popolare per le misurazioni a infrarossi che utilizza una coppia di fotoni visibili e infrarossi correlati. I team di ricerca avevano precedentemente dimostrato il principio generale del rilevamento quantistico nella gamma di frequenze terahertz utilizzando un interferometro a cristallo singolo nella configurazione di Young per misurare l'assorbimento di un cristallo di niobato di litio a polarità periodica (PPLN), all'interno della gamma di frequenze terahertz. Nel presente lavoro, Kuta et al. generato fotoni terahertz (ozioso) utilizzando la conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC) utilizzando fotoni di pompa a 660 km per generare fotoni di segnale a una lunghezza d'onda di circa 661 nm, molto vicino alla lunghezza d'onda della pompa degli spettri. Per testare la fattibilità del rilevamento quantistico a temperatura ambiente, il team ha prima analizzato teoricamente il concetto di un interferometro quantistico a cristallo singolo.
In teoria, la configurazione conteneva un raggio di pompa, che illuminava un cristallo non lineare per creare coppie di fotoni segnale (s) e idler (i). Kuta et al. basano il loro processo teorico su uno studio precedente. Nei normali esperimenti SPDC (spontaneous parametric down conversion) le modalità di input sono in uno stato di vuoto. Però, nel presente lavoro la piccola energia dei fotoni folli nell'intervallo dei terahertz ha ricevuto contributi sostanziali dalle fluttuazioni termiche per essere in uno stato termico. Durante l'esperimento, il team si aspettava di separare la pompa e i fotoni del segnale dai fotoni inattivi per interagire con l'oggetto in modo che la radiazione risultante potesse essere riflessa e riaccoppiata nel cristallo. Hanno illustrato l'interferenza prevista risultante dal modello per concludere che ci si potrebbe aspettare uno schema di interferenza in presenza di fotoni termici per la conversione verso il basso (quando i campi del segnale e idler hanno una frequenza inferiore rispetto alla pompa) e per la conversione verso l'alto .
Schema del setup sperimentale. Un laser ad onda continua con una lunghezza d'onda di 659,58 nm viene riflesso da un VBG (VBG1) nella parte interferometrica del setup attraverso una lamina a semionda di ordine zero (λ/2) che controlla la polarizzazione. Viene quindi focalizzato da una lente f1 in un cristallo di LiNbO3 (PPLN) drogato con MgO lungo 1 mm periodicamente polarizzato e che genera un segnale e fotoni terahertz che sono separati da un ITO. Il segnale e la radiazione della pompa vengono riflessi a Ms direttamente nel cristallo. La radiazione terahertz attraversa l'oggetto due volte, essere riflesso da uno specchio mobile Mi. Nella seconda traversa della pompa attraverso il PPLN, vengono generati segnali aggiuntivi e fotoni folli. in seguito, la lente f1 collima la radiazione di pompa e segnale per il rilevamento iniziando con il filtraggio della radiazione di pompa da tre VBG e filtri spaziali (SF). Per ottenere lo spettro di frequenza angolare, la radiazione del segnale viene focalizzata attraverso un reticolo di trasmissione (TG) dall'obiettivo f2 su una telecamera sCMOS. L'inserto mostra uno spettro di frequenza angolare per il cristallo utilizzato (periodo di polarizzazione Λ =90 μm, pompato con 450 mW). L'angolo di diffusione corrisponde all'angolo dopo la trasmissione dal cristallo all'aria. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
La presente configurazione sperimentale si basava anche su una configurazione presentata in precedenza, estesa a un interferometro quantistico a cristallo singolo simile a Michelson. Gli scienziati hanno utilizzato un laser a stato solido a frequenza raddoppiata a 660 nm come sorgente di pompaggio e hanno accoppiato i fotoni all'interferometro utilizzando il reticolo di Bragg del volume (VBG). Per il mezzo non lineare, hanno selezionato un cristallo PPLN (niobato di litio a polarizzazione periodica) lungo 1 mm con un periodo di polarizzazione di 90 µm per generare fotoni (segnale) visibili e fotoni (oziosi) associati nell'intervallo di frequenza dei terahertz. Dietro il cristallo, i ricercatori hanno posizionato un vetro rivestito di ossido di indio-stagno per separare i fotoni di rinvio dalla pompa e i fotoni di segnale. Hanno quindi focalizzato direttamente la pompa e la radiazione del segnale nel cristallo usando uno specchio concavo.
Poiché l'indice di rifrazione del niobato di litio (LiNbO 3 ) nella gamma di frequenze terahertz ha portato a un ampio angolo di diffusione della radiazione del minimo, hanno collimato questa radiazione usando uno specchio parabolico e hanno riflesso la radiazione di rinvio su uno specchio piano posto su uno stadio lineare piezoelettrico. Dopo due passaggi attraverso il cristallo, hanno collimato la pompa e i fasci di segnale e hanno filtrato i fotoni della pompa utilizzando tre VBG che funzionavano come filtri notch a banda stretta altamente efficienti. Il team ha utilizzato come rivelatore una fotocamera scientifica a semiconduttore a ossido di metallo complementare (sCMOS) non raffreddata. I fotoni di segnale nel setup potrebbero essere generati sia da SPDC (spontaneous parametric down conversion) o convertendo i fotoni termici nella gamma di frequenze terahertz. L'intensità del segnale dipendeva linearmente dalla potenza della pompa consentendo all'esperimento di eseguire nella regione a basso guadagno.
Interferenza quantistica terahertz. Nel punto collineare in avanti del segnale, si osserva interferenza nelle regioni (A) Stokes e (B) anti-Stokes. (C e D) I picchi FFT corrispondenti raggiungono circa 1,26 THz. Posizionando un vetro ITO aggiuntivo nel percorso del tenditore, nessuna interferenza può essere osservata, e i picchi nelle FFT scompaiono. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
Gli scienziati hanno osservato l'interferenza dei fotoni del segnale nelle regioni Stokes e anti-Stokes, che corrispondono al segnale di interferenza simulato. Le corrispondenti trasformate veloci di Fourier (FFT) hanno mostrato un picco durante entrambi i casi rispetto alle condizioni di adattamento di fase. Il rumore dei dati registrati derivava dalle fluttuazioni del laser e dal rumore della telecamera. Per determinare che l'interferenza è stata causata da fotoni terahertz che si propagano lungo il percorso dell'idler, hanno posto un vetro indio-stagno-ossido tra lo specchio parabolico e piano, che bloccava le radiazioni terahertz, pur consentendo la trasmissione della luce visibile.
Per poi dimostrare il rilevamento quantistico di terahertz, Kuta et al. misurato lo spessore di una varietà di lastre di politetrafluoroetilene (PTFE), posizionate nel percorso del tenditore con uno spessore massimo di 5 mm. A causa dell'indice di rifrazione del PTFE, la lunghezza ottica del percorso è cambiata e hanno osservato l'inviluppo dell'interferenza in diverse fasi. A parte lo spostamento, la visibilità dell'interferenza diminuiva in presenza della piastra in PTFE. Il team ha rilevato lo spessore della piastra stimando il loro indice di rifrazione utilizzando un sistema standard di spettroscopia nel dominio del tempo (TDS). Sulla base dell'indice di rifrazione e dello spostamento del segnale di interferenza hanno calcolato lo spessore dello strato. I risultati hanno mostrato che l'interferenza quantistica con i fotoni inattivi nell'intervallo di frequenza dei terahertz ha permesso ai fisici di determinare lo spessore dello strato dei campioni nel percorso dei terahertz tramite il rilevamento quantistico.
Rilevamento quantistico terahertz. L'inviluppo dell'interferenza viene spostato a seconda dello spessore della piastra in PTFE nelle parti (A) Stokes e (B) anti-Stokes. (C) Spessore della piastra in PTFE misurato dall'interferenza quantistica sullo spessore del PTFE misurato da un calibro micrometrico. La linea continua è la bisettrice dell'angolo. Le barre di errore orizzontali (nascoste dai punti dati) considerano gli spessori irregolari delle piastre in PTFE e l'imprecisione della misura di riferimento. Le barre di errore verticali risultano dalla precisione nel determinare lo spostamento del centro dell'inviluppo dell'interferenza. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
In questo modo, Mirco Kutas e colleghi hanno osservato l'interferenza quantistica nella gamma di frequenze terahertz con propagazione di fotoni terahertz nello spazio libero, all'interno delle regioni Stokes e anti-Stokes. Hanno mostrato la capacità di utilizzare questa tecnica per determinare lo spessore di una varietà di regioni di PTFE come applicazioni di prova nella gamma di frequenze dei terahertz. Sebbene il tempo di misurazione e la risoluzione non possano essere paragonati ai classici schemi di misurazione terahertz, il concetto presentato qui è una prima pietra miliare verso l'imaging quantistico in terahertz.
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