*Wetenschappers hebben een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van ultradunne kwantumlichtbronnen, waarmee ze aantonen hoe excitonische interacties de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen aanzienlijk kunnen verbeteren.*

Kwantumlichtbronnen zijn cruciale componenten in verschillende kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputing, kwantumcommunicatie en kwantummetrologie. Deze bronnen zenden fotonen uit die verstrengeld zijn, wat betekent dat hun eigenschappen met elkaar verbonden zijn op een manier die niet verklaard kan worden door de klassieke natuurkunde. Deze verstrengeling is een fundamentele hulpbron voor veel kwantumtechnologieën en maakt taken mogelijk zoals veilige communicatie en uiterst nauwkeurige metingen.

Traditioneel worden verstrengelde fotonen gegenereerd met behulp van omvangrijke niet-lineaire kristallen, die doorgaans enkele millimeters dik zijn. Deze kristallen vereisen een hoog pompvermogen en hebben een laag rendement, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben onderzoekers ultradunne kwantumlichtbronnen onderzocht, die het potentieel bieden voor compacte, efficiënte en schaalbare apparaten.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics hebben wetenschappers van de Universiteit van Tokio, het National Institute for Materials Science (NIMS) en de University of Electro-Communications in Japan aangetoond hoe excitonische interacties de efficiëntie van de generatie van verstrengelde fotonen in ultradunne kwantumlichtbronnen kunnen vergroten.

Het team, onder leiding van professor Yasuhiko Arakawa, vervaardigde ultradunne halfgeleider-heterostructuren bestaande uit afwisselende lagen galliumarsenide (GaAs) en aluminiumarsenide (AlAs). Deze heterostructuren vertonen sterke excitonische interacties, waarbij elektronen en gaten in het halfgeleidermateriaal gebonden toestanden vormen die excitonen worden genoemd. Excitonen hebben verschillende eigenschappen die kunnen worden benut om de interacties tussen licht en materie te verbeteren en de efficiëntie van het genereren van fotonen te verbeteren.

Door de dikte en samenstelling van de heterostructuren zorgvuldig te ontwerpen, konden de onderzoekers een zeer efficiënte generatie van verstrengelde fotonen bereiken. Ze observeerden een significante toename in de emissiesnelheid van verstrengelde fotonen vergeleken met conventionele ultradunne kwantumlichtbronnen zonder excitonische interacties.

De verbeterde efficiëntie wordt toegeschreven aan het Purcell-effect, dat de wijziging van spontane emissiesnelheden beschrijft in de aanwezigheid van resonante optische holtes. In de ultradunne heterostructuren fungeren de excitonen als gelokaliseerde emitters, en de sterke excitonische interacties creëren een gunstige omgeving voor het Purcell-effect. Dit leidt tot een snellere en efficiëntere emissie van verstrengelde fotonen.

De studie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van ultradunne kwantumlichtbronnen. De efficiënte generatie van verstrengelde fotonen in deze ultradunne structuren maakt de weg vrij voor de realisatie van compacte, krachtige kwantumapparaten en opent nieuwe mogelijkheden voor kwantuminformatieverwerking en communicatietechnologieën.

"Onze bevindingen bieden een veelbelovende route voor de ontwikkeling van praktische kwantumlichtbronnen", zegt professor Arakawa. "Door excitonische interacties te benutten, kunnen we een efficiënte generatie van verstrengelde fotonen in ultradunne halfgeleiders bereiken, waardoor de miniaturisatie en integratie van kwantumapparaten voor toekomstige kwantumtechnologieën mogelijk wordt."