Kwantumfysici vertrouwen op kwantumdetectie als een zeer aantrekkelijke methode om toegang te krijgen tot spectrale gebieden en om fotonen (kleine pakketjes licht) te detecteren die over het algemeen technisch uitdagend zijn. Ze kunnen monsterinformatie verzamelen in het spectrale gebied van belang en de details via bifotoncorrelaties overbrengen naar een ander spectraal bereik met zeer gevoelige detectoren. Het werk is specifiek gunstig voor terahertz-straling zonder halfgeleiderdetectoren, waar natuurkundigen in plaats daarvan coherente detectieschema's of cryogeen gekoelde bolometers moeten gebruiken. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Mirco Kutas en een onderzoeksteam van de afdelingen industriële wiskunde en natuurkunde in Duitsland beschreven de eerste demonstratie van kwantumdetectie in het terahertz-frequentiebereik. Tijdens de experimenten, terahertz-frequenties interageerden met een monster in de vrije ruimte en gaven informatie over de monsterdikte door de zichtbare fotonen te detecteren. Het team verkreeg laagdiktemetingen met terahertz-fotonen op basis van biphoton-interferentie. Aangezien de mogelijkheid om laagdikte niet-destructief te meten van groot industrieel belang is, Kutas et al. verwacht dat deze experimenten een eerste stap zijn in de richting van industriële kwantumdetectie.

Kwantumdetectie en -beeldvorming is een populair schema voor infraroodmetingen met behulp van een paar gecorreleerde zichtbare en infraroodfotonen. Onderzoeksteams hadden eerder het algemene principe van kwantumdetectie in het terahertz-frequentiebereik aangetoond met behulp van een interferometer met één kristal in de configuratie van Young om de absorptie van een periodiek gepoold lithiumniobaat (PPLN) kristal te meten. binnen het terahertz-frequentiebereik. In het huidige werk, Kutas et al. genereerde terahertz (idler)-fotonen met behulp van spontane parametrische neerwaartse conversie (SPDC) met behulp van pompfotonen op 660 km om signaalfotonen te genereren met een golflengte van ongeveer 661 nm - zeer dicht bij de spectra-pompgolflengte. Om de haalbaarheid van kwantumdetectie bij kamertemperatuur te testen, het team analyseerde eerst theoretisch het concept voor een eenkristal kwantuminterferometer.

In theorie, de opstelling bevatte een pompstraal, die een niet-lineair kristal verlichtte om paren van signaal (s) en idler (i) fotonen te creëren. Kutas et al. baseerden hun theoretische proces op een eerdere studie. In de gebruikelijke SPDC-experimenten (spontane parametrische neerwaartse conversie) bevinden de invoermodi zich in een vacuümtoestand. Echter, in het huidige werk ontving de kleine energie van de niet-actieve fotonen in het terahertz-bereik aanzienlijke bijdragen van thermische fluctuaties om in een thermische toestand te zijn. Tijdens het experiment, het team verwachtte de pomp te scheiden en fotonen te signaleren van de inactieve fotonen om te interageren met het object, zodat de resulterende straling zou worden gereflecteerd en teruggekoppeld in het kristal. Ze illustreerden de verwachte interferentie die voortvloeit uit het model om te concluderen dat een interferentiepatroon kan worden verwacht in de aanwezigheid van thermische fotonen voor down-conversie (wanneer het signaal en de rustvelden een lagere frequentie hebben dan de pomp) en voor up-conversie .

De huidige experimentele opstelling was ook gebaseerd op een eerder gepresenteerde opstelling - uitgebreid tot een Michelson-achtige eenkristal kwantuminterferometer. De wetenschappers gebruikten een 660 nm frequentieverdubbelde vastestoflaser als pompbron en koppelden de fotonen aan de interferometer met behulp van volume Bragg-roosters (VBG). Voor het niet-lineaire medium, ze selecteerden een 1 mm lang PPLN-kristal (periodiek gepoold lithiumniobaat) met een poolperiode van 90 µm om zichtbare (signaal)fotonen en bijbehorende (inactieve) fotonen in het terahertz-frequentiebereik te genereren. Achter het kristal, de onderzoekers plaatsten een met indiumtinoxide gecoat glas om de inactieve fotonen van de pomp en signaalfotonen te scheiden. Vervolgens richtten ze de pomp en signaalstraling direct terug in het kristal met behulp van een holle spiegel.

Omdat de brekingsindex van lithiumniobaat (LiNbO ₃ ) in het terahertz-frequentiebereik leidde tot een grote verstrooiingshoek van de vrijloopstraling, ze collimeerden deze straling met behulp van een parabolische spiegel en weerkaatsten de vrijloopstraling op een vlakke spiegel die op een piëzo-elektrisch lineair podium was geplaatst. Na twee passages door het kristal collimeerden ze de pomp- en signaalbundels en filterden ze de pompfotonen met behulp van drie VBG's die functioneerden als zeer efficiënte en smalbandige inkepingsfilters. Het team gebruikte een ongekoelde wetenschappelijke complementaire metaaloxide-halfgeleidercamera (sCMOS) als detector. De signaalfotonen in de opstelling kunnen worden gegenereerd door SPDC (spontane parametrische neerwaartse conversie) of door de thermische fotonen in het terahertz-frequentiebereik om te zetten. De signaalintensiteit was lineair afhankelijk van het pompvermogen waardoor het experiment in het low-gain-gebied kon worden uitgevoerd.

De wetenschappers observeerden de interferentie van de signaalfotonen in de Stokes- en anti-Stokes-regio's - overeenkomend met het gesimuleerde interferentiesignaal. De overeenkomstige snelle Fourier-transformaties (FFT's) vertoonden een piek in beide gevallen ten opzichte van de fase-aanpassingscondities. De ruis van de opgenomen gegevens was het gevolg van laserfluctuaties en het geluid van de camera. Om vast te stellen dat de interferentie werd veroorzaakt door terahertz-fotonen die zich langs het lege pad voortplanten, ze plaatsten een indiumtinoxideglas tussen de parabolische en vlakke spiegel, die terahertz-straling blokkeerde, terwijl de transmissie van zichtbaar licht mogelijk is.

Om vervolgens terahertz-kwantumdetectie te demonstreren, Kutas et al. de dikte van een verscheidenheid aan polytetrafluorethyleen (PTFE) platen gemeten - geplaatst in het looppad met een maximale dikte van 5 mm. Door de brekingsindex van PTFE, de optische lengte van het pad veranderde en ze observeerden de omhullende van interferentie in verschillende stadia. Afgezien van de verschuiving, de zichtbaarheid van de interferentie nam af in aanwezigheid van de PTFE-plaat. Het team ontdekte de dikte van de plaat door hun brekingsindex te schatten met behulp van een standaard tijddomeinspectroscopie (TDS) -systeem. Op basis van de brekingsindex en verschuiving van het stoorsignaal berekenden ze de laagdikte. De resultaten toonden aan dat de kwantuminterferentie met niet-actieve fotonen in het terahertz-frequentiebereik de natuurkundigen in staat stelde om de laagdikte van monsters in het terahertz-pad te bepalen via kwantumdetectie.

Op deze manier, Mirco Kutas en collega's observeerden kwantuminterferentie in het terahertz-frequentiebereik met voortplanting van terahertz-fotonen in de vrije ruimte, in de Stokes- en anti-Stokes-regio's. Ze toonden de capaciteit om deze techniek te gebruiken om de dikte van een verscheidenheid aan PTFE-regio's te bepalen als proof-of-concept-toepassingen in het terahertz-frequentiebereik. Hoewel de meettijd en resolutie niet kunnen worden vergeleken met klassieke terahertz-meetschema's, het hier gepresenteerde concept is een eerste mijlpaal in de richting van terahertz-kwantumbeeldvorming.

© 2020 Wetenschap X Netwerk