Εξαιρετικές πηγές κβαντικού φωτός:Οι επιστήμονες παρουσιάζουν διεγερτικές αλληλεπιδράσεις ενισχύουν την αποτελεσματικότητα της παραγωγής φωτονίων
*Οι επιστήμονες έχουν κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στην ανάπτυξη πηγών εξαιρετικά κβαντικού φωτός, αποδεικνύοντας πώς οι διεγερτικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της παραγωγής μπλεγμένων φωτονίων.*
Οι κβαντικές πηγές φωτός αποτελούν κρίσιμα συστατικά σε διάφορες κβαντικές τεχνολογίες, όπως η κβαντική υπολογιστική, η κβαντική επικοινωνία και η κβαντική μετρολογία. Αυτές οι πηγές εκπέμπουν φωτόνια που εμπλέκονται, πράγμα που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους συνδέονται με τρόπο που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την κλασσική φυσική. Αυτή η εμπλοκή είναι ένας θεμελιώδης πόρος για πολλές κβαντικές τεχνολογίες και επιτρέπει εργασίες όπως η ασφαλής επικοινωνία και οι μετρήσεις υψηλής ακρίβειας.
Παραδοσιακά, τα μπλεγμένα φωτόνια παράγονται χρησιμοποιώντας ογκώδεις μη γραμμικούς κρυστάλλους, οι οποίοι είναι συνήθως αρκετά χιλιοστά πάχους. Αυτοί οι κρύσταλλοι απαιτούν υψηλές εξουσίες αντλίας και υποφέρουν από χαμηλή απόδοση, περιορίζοντας τις πρακτικές εφαρμογές τους. Για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις, οι ερευνητές διερευνούν πηγές εξαιρετικά κβαντικού φωτός, οι οποίες προσφέρουν τη δυνατότητα για συμπαγείς, αποτελεσματικές και κλιμακωτές συσκευές.
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Photonics Nature , Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Τόκιο, του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστημών Υλικών (NIMS) και του Πανεπιστημίου των Ηλεκτροεπικοινωνιών στην Ιαπωνία έδειξαν πώς οι διεγερτικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να ενισχύσουν την αποτελεσματικότητα της παραγωγής φωτονίων σε πηγές εξαιρετικά κβαντικού φωτός.
Η ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Yasuhiko Arakawa, δημιούργησε ετεροδομές ημιαγωγών υπεριώδους που αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα αρσενικού γαλλίου (GaAs) και αρσενίδιο αλουμινίου (δυστυχώς). Αυτές οι ετεροδομές παρουσιάζουν ισχυρές διεγερτικές αλληλεπιδράσεις, όπου ηλεκτρόνια και τρύπες στο υλικό ημιαγωγών μορφές δεσμευμένες καταστάσεις που ονομάζονται excitons. Τα excitons έχουν ξεχωριστές ιδιότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν για να ενισχύσουν τις αλληλεπιδράσεις φωτός και να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα της παραγωγής φωτονίων.
Σχεδιάζοντας προσεκτικά το πάχος και τη σύνθεση των ετεροδομών, οι ερευνητές ήταν σε θέση να επιτύχουν εξαιρετικά αποτελεσματική παραγωγή μπλεγμένων φωτονίων. Παρατήρησαν σημαντική αύξηση του ρυθμού εκπομπής των εμπλεγμένων φωτονίων σε σύγκριση με τις συμβατικές πηγές κβαντικού φωτός Ultrathin χωρίς διεγερτικές αλληλεπιδράσεις.
Η ενισχυμένη απόδοση αποδίδεται στο φαινόμενο Purcell, το οποίο περιγράφει την τροποποίηση των ποσοστών αυθόρμητων εκπομπών παρουσία συντονιστικών οπτικών κοιλοτήτων. Στις ετεροδομές των Ultrathin, οι διεγέρτες λειτουργούν ως εντοπισμένοι εκπομποί και οι ισχυρές διεγερτικές αλληλεπιδράσεις δημιουργούν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για το φαινόμενο Purcell. Αυτό οδηγεί σε ταχύτερη και αποτελεσματικότερη εκπομπή μπλεγμένων φωτονίων.
Η μελέτη αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ανάπτυξη πηγών εξαιρετικά κβαντικού φωτός. Η αποτελεσματική παραγωγή εμπλεγμένων φωτονίων σε αυτές τις δομές Ultrathin ανοίγει το δρόμο για την υλοποίηση των συμπαγών κβαντικών συσκευών υψηλής απόδοσης και ανοίγει νέες δυνατότητες για τεχνολογίες επεξεργασίας και επικοινωνίας κβαντικών πληροφοριών.
"Τα ευρήματά μας παρέχουν μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή για την ανάπτυξη πρακτικών πηγών κβαντικού φωτός", λέει ο καθηγητής Arakawa. "Με την αξιοποίηση των διεγερτικών αλληλεπιδράσεων, μπορούμε να επιτύχουμε αποτελεσματική παραγωγή εμπλεγμένων φωτονίων σε υπεριώδεις ημιαγωγούς, επιτρέποντας τη μινιατούρα και την ενσωμάτωση των κβαντικών συσκευών για μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες".
