La fotonica quantistica implica un nuovo tipo di tecnologia che si basa sui fotoni, la particella elementare di luce. Questi fotoni possono potenzialmente trasportare bit quantistici di informazioni su grandi distanze. Se la sorgente di fotoni potesse essere posizionata su un singolo chip e fatta produrre fotoni ad alta velocità, questo potrebbe consentire la comunicazione quantistica ad alta velocità o l'elaborazione delle informazioni, che rappresenterebbe un importante progresso nelle tecnologie dell'informazione.

Nel numero di questa settimana di Recensioni di fisica applicata , viene proposta una semplice sorgente di fotoni su chip che utilizza un tipo di materiale noto come metamateriale iperbolico. I ricercatori hanno effettuato calcoli per dimostrare che un prototipo che utilizza il metamateriale iperbolico disposto in modo preciso può superare i problemi di bassa efficienza e consentire alti tassi di ripetizione per sorgenti di fotoni su chip.

Fino a poco tempo fa, le sorgenti a singolo fotone sono state solitamente realizzate da punti quantici autoassemblati in semiconduttori o da materiali, come diamanti, con difetti strutturali. È difficile, però, produrre singoli fotoni ad alte velocità da tali materiali. Sono stati provati alcuni approcci per rimediare a questo problema, ma così lontano, i risultati risentono di una larghezza di banda stretta e di una bassa efficienza.

Un altro modo per affrontare questi problemi è utilizzare materiali speciali, come metamateriali, per la sorgente di fotoni. I metamateriali sono pile di strati metallici e dielettrici, strutturato ad un livello molto più piccolo della lunghezza d'onda della luce in uso. Esibiscono proprietà ottiche insolite quando vengono formati in forme, come i nanofili. Gli elettroni che fluiscono attraverso il materiale creano un'oscillazione collettiva nota come plasmone di superficie, generando campi elettromagnetici localizzati.

I metamateriali iperbolici sono versioni altamente anisotrope di questi metamateriali. Manipolano la luce in vari modi. Per esempio, possono ridurre la lunghezza d'onda della luce e consentirle di viaggiare liberamente in una direzione fermandola in un'altra.

I ricercatori propongono una geometria per la loro sorgente di fotoni su chip in cui un metamateriale iperbolico è inclinato di un angolo preciso rispetto alla faccetta terminale della vicina nanofibra utilizzata per trasmettere i fotoni emessi. Scegliendo con attenzione l'angolo di inclinazione, i riflessi di luce sono soppressi all'interfaccia con la fibra.

I calcoli del gruppo hanno mostrato che questa semplice disposizione geometrica dovrebbe superare le precedenti limitazioni con questi materiali.

Il coautore Lian Shen ha detto:"Il nostro lavoro rappresenta un passo fondamentale verso l'implementazione di sorgenti a singolo fotone spettralmente ampie con alti tassi di ripetizione per reti quantistiche su chip".