Wetenschappers van het Max Planck Institute for the Science of Light en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg hebben, in samenwerking met Sandia National Laboratories, met succes fotonparen gemaakt op verschillende frequenties met behulp van resonante meta-oppervlakken.

Een foton is het kwantum (de minimale hoeveelheid die betrokken is bij een interactie) van elke vorm van elektromagnetische straling, zoals licht. Fotonen zijn essentieel voor een aantal huidige onderzoeksgebieden en technologieën, zoals quantum state engineering, die op zijn beurt de hoeksteen vormt van alle quantum fotonische technologieën. Met behulp van kwantumfotonica werken wetenschappers en ingenieurs aan het creëren van nieuwe technologieën, zoals nieuwe vormen van codering voor zeer veilige communicatiekanalen en nieuwe soorten supercomputers.

Een van de belangrijkste vereisten voor kwantumtoestand-engineering is het creëren van fotonparen. Dit werd traditioneel bereikt door het gebruik van een van de twee niet-lineaire effecten, spontane parametrische neerwaartse conversie (SPDC) of spontane vier-golfmenging (SFWM), in bulk optische elementen. De niet-lineaire effecten zorgen ervoor dat een of twee pompfotonen spontaan vervallen tot een fotonenpaar.

Deze effecten vereisen echter strikt behoud van momentum voor de betrokken fotonen. Elk materiaal waar de fotonen doorheen moeten, heeft dispersie-eigenschappen, waardoor het behoud van momentum wordt voorkomen. Er zijn technieken die nog steeds de benodigde conservering bereiken, maar die beperken de veelzijdigheid van de toestanden waarin de fotonparen kunnen worden geproduceerd ernstig. Het resultaat is dat, hoewel traditionele optische elementen zoals niet-lineaire kristallen en golfgeleiders met succes vele fotonische kwantumtoestanden hebben voortgebracht, hun gebruik beperkt en onpraktisch is. Onlangs hebben onderzoekers gekeken naar zogenaamde optische meta-oppervlakken.

Fotonparen produceren met meta-oppervlakken

Metasurfaces zijn ultradunne vlakke optische apparaten die bestaan ​​uit arrays van nanoresonatoren. Hun subgolflengtedikte (enkele honderden nanometers) maakt ze effectief tweedimensionaal. Dat maakt ze veel gemakkelijker te hanteren dan traditionele, omvangrijke optische apparaten. Nog belangrijker is dat door de geringere dikte het momentumbehoud van de fotonen wordt versoepeld omdat de fotonen door veel minder materiaal moeten reizen dan bij traditionele optische apparaten:volgens het onzekerheidsprincipe leidt opsluiting in de ruimte tot een ongedefinieerd momentum. Hierdoor kunnen meerdere niet-lineaire en kwantumprocessen plaatsvinden met vergelijkbare efficiënties en wordt de deur geopend voor het gebruik van veel nieuwe materialen die niet zouden werken in traditionele optische elementen.

Om deze reden, en ook omdat ze compacter en praktischer te hanteren zijn dan omvangrijke optische elementen, komen meta-oppervlakken in beeld als bronnen van fotonparen voor kwantumexperimenten. Bovendien kunnen meta-oppervlakken tegelijkertijd fotonen transformeren in verschillende vrijheidsgraden, zoals polarisatie, frequentie en pad.

Tomás Santiago-Cruz en Maria Chekhova van Max Planck Institute for the Science of Light en Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in samenwerking met de onderzoeksgroep van Igal Brener van Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, hebben nu een nieuwe stap gezet om precies dat te bereiken. In een recent gepubliceerd artikel in de Science journal toonden Chekhova en haar collega's voor het eerst aan hoe meta-oppervlakken fotonenparen van twee verschillende golflengten produceren.

Bovendien kunnen fotonen van een bepaalde golflengte worden gecombineerd met fotonen op twee of meer verschillende golflengten tegelijk. Op deze manier kan men meerdere koppelingen maken tussen fotonen van verschillende kleur. Bovendien verhogen resonanties van het meta-oppervlak de snelheid van fotonenemissie met verschillende ordes van grootte in vergelijking met uniforme bronnen van dezelfde dikte. Tomás Santiago-Cruz gelooft dat meta-oppervlakken een sleutelrol zullen spelen in toekomstig kwantumonderzoek:"Meta-oppervlakken leiden tot een paradigmaverschuiving in kwantumoptica, waarbij ultrakleine bronnen van kwantumlicht worden gecombineerd met verreikende mogelijkheden voor kwantumtoestand-engineering."

In de toekomst kunnen deze functies worden gebruikt om zeer grote gecompliceerde kwantumtoestanden te bouwen, die nodig zijn voor kwantumberekening. Bovendien maakt het slanke profiel van meta-oppervlakken en hun multifunctionele werking de ontwikkeling mogelijk van meer geavanceerde compacte apparaten, waarbij het genereren, transformeren en detecteren van kwantumtoestanden wordt gecombineerd. Maria Tsjechova is enthousiast over het pad dat hun onderzoek is ingeslagen:"De bronnen van onze fotonen worden steeds kleiner en tegelijkertijd worden hun mogelijkheden steeds breder." + Verder verkennen

Genereren van verstrengelde fotonen met niet-lineaire meta-oppervlakken