La fotónica cuántica implica un nuevo tipo de tecnología que se basa en fotones, la partícula elemental de luz. Estos fotones pueden potencialmente transportar bits cuánticos de información a grandes distancias. Si la fuente de fotones pudiera colocarse en un solo chip y hacerla producir fotones a una velocidad alta, esto podría permitir la comunicación cuántica de alta velocidad o el procesamiento de información, lo que supondría un gran avance en las tecnologías de la información.

En el número de esta semana de Reseñas de física aplicada , Se propone una fuente simple de fotones en chip que utiliza un tipo de material conocido como metamaterial hiperbólico. Los investigadores llevaron a cabo cálculos para demostrar que un prototipo que utiliza el metamaterial hiperbólico dispuesto de manera precisa puede superar problemas de baja eficiencia y permitir altas tasas de repetición para fuentes de fotones en chip.

Hasta hace poco, Las fuentes de fotón único generalmente se han fabricado a partir de puntos cuánticos autoensamblados en semiconductores o de materiales, como diamantes, con defectos estructurales. Es difícil, sin embargo, para producir fotones individuales a altas velocidades a partir de dichos materiales. Se han probado algunos enfoques para solucionar este problema, pero hasta ahora, los resultados adolecen de un ancho de banda estrecho y una baja eficiencia.

Otra forma de abordar estos problemas es utilizar materiales especiales, como metamateriales, para la fuente de fotones. Los metamateriales son pilas de capas metálicas y dieléctricas, estructurado a un nivel mucho menor que la longitud de onda de la luz en uso. Exhiben propiedades ópticas inusuales cuando se les da forma, como nanocables. Los electrones que fluyen a través del material establecen una oscilación colectiva conocida como plasmón de superficie, generando campos electromagnéticos localizados.

Los metamateriales hiperbólicos son versiones altamente anisotrópicas de estos metamateriales. Manipulan la luz de diversas formas. Por ejemplo, pueden encoger la longitud de onda de la luz y permitirle viajar libremente en una dirección mientras la detienen en otra.

Los investigadores proponen una geometría para su fuente de fotones en chip donde un metamaterial hiperbólico se inclina en un ángulo preciso con respecto a la faceta final de la nanofibra cercana utilizada para transmitir los fotones emitidos. Al elegir el ángulo de inclinación con cuidado, los reflejos de luz se suprimen en la interfaz con la fibra.

Los cálculos del grupo mostraron que esta sencilla disposición geométrica debería superar las limitaciones previas con estos materiales.

El coautor Lian Shen dijo:"Nuestro trabajo representa un paso vital hacia la implementación de fuentes de fotón único espectralmente amplias con altas tasas de repetición para redes cuánticas en chip".