Un team di ricercatori dell'Istituto di ottica del CSIC e dell'Istituto di scienze fotoniche (ICFO) di Barcellona ha proposto un nuovo progetto per implementare sorgenti a fotone singolo altamente direzionali, che costituisce un miglioramento rispetto alle tecnologie quantistiche attualmente esistenti. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Nanophotonics .
La generazione di singoli fotoni lungo direzioni ben definite richiede sistemi altamente sofisticati, ma questa nuova proposta offre una soluzione più semplice ed efficiente.
Il lavoro propone l'uso di un emettitore quantistico (molecola o atomo che emette un singolo fotone quando passa a uno stato energetico inferiore) inserito in una guida d'onda unidimensionale formata da una struttura periodica. Questa struttura è progettata per supportare un'unica modalità guidata di luce nell'intervallo spettrale dell'emettitore quantistico.
Di conseguenza, i fotoni emessi dall'emettitore quantistico sono preferibilmente accoppiati a questa modalità di guida d'onda, ottenendo un'elevata direzionalità e riducendo l'incertezza temporale dell'emissione di oltre due ordini di grandezza.
Le sorgenti di singoli fotoni sono componenti fondamentali nei dispositivi ottici quantistici utilizzati oggigiorno nell'informatica, nella crittografia e nella metrologia quantistica. Questi dispositivi utilizzano emettitori quantistici che, dopo l'eccitazione, producono singoli fotoni con una probabilità vicina al 100% e tempi di emissione dell'ordine di poche decine di nanosecondi.
La qualità di una sorgente a singolo fotone dipende dalla sua capacità (i) di estrarre singoli fotoni con elevata efficienza, (ii) di ridurre l’incertezza sul tempo di emissione, (iii) di aumentare il tasso di ripetizione e (iv) di escludere la presenza di due fotoni eventi.
Questo studio presenta un nuovo approccio che può migliorare l’efficienza di estrazione e ridurre l’incertezza sul tempo di emissione sfruttando l’effetto Purcell. Questo effetto consiste nella modifica della probabilità di emissione di un emettitore quantistico a causa dell'interazione con il suo ambiente.
A differenza degli approcci precedenti che richiedevano strutture bi o tridimensionali per ottenere una modalità guidata, questo nuovo approccio necessita solo di un sistema unidimensionale. Il design proposto può essere implementato con un'ampia varietà di materiali ed è molto resistente alle imperfezioni di produzione. Inoltre, essendo un sistema unidimensionale, ha un ingombro molto più ridotto rispetto alle strutture di cristalli fotonici bidimensionali precedentemente proposte, offrendo vantaggi per l'integrazione del dispositivo su un chip.
In linea di principio, l’emettitore quantistico situato nella guida d’onda emette fotoni lungo entrambe le direzioni della guida d’onda, ma esistono strategie per emettere i fotoni in una sola direzione. Ad esempio, è possibile utilizzare emettitori polarizzati circolarmente (in cui il campo elettrico del fotone ruota mentre la luce si propaga) o modificare un'estremità della guida d'onda per implementare un riflettore di Bragg.
Sebbene questo studio si sia concentrato sulle guide d'onda formate da nanostrutture sferiche, i risultati possono essere facilmente applicati ad altri tipi di elementi, come le ondulazioni periodiche in una guida d'onda rettangolare.
Si tratta di un lavoro di ricerca degli scienziati Alejandro Manjavacas, dell'Istituto di Ottica "Daza de Valdés" del CSIC e F. Javier García de Abajo, dell'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO) di Barcellona.
Ulteriori informazioni: Alejandro Manjavacas et al, Sorgente di fotone singolo altamente direzionale, Nanofotonica (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0276
Fornito dal Consiglio Nazionale delle Ricerche spagnolo
