Un equipo de investigadores del Instituto de Óptica del CSIC y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona ha propuesto un nuevo diseño para implementar fuentes monofotónicas altamente direccionales, lo que supone una mejora respecto a las tecnologías cuánticas existentes actualmente. El trabajo está publicado en la revista Nanophotonics. .
La generación de fotones individuales en direcciones bien definidas requiere sistemas muy sofisticados, pero esta nueva propuesta ofrece una solución más sencilla y eficiente.
El trabajo propone el uso de un emisor cuántico (molécula o átomo que emite un solo fotón cuando pasa a un estado de menor energía) insertado en una guía de ondas unidimensional formada por una estructura periódica. Esta estructura está diseñada para soportar un único modo de luz guiada en el rango espectral del emisor cuántico.
Como resultado, los fotones emitidos por el emisor cuántico se acoplan preferentemente a este modo de guía de ondas, lo que da como resultado una alta direccionalidad y reduce la incertidumbre temporal de la emisión en más de dos órdenes de magnitud.
Las fuentes de fotón único son componentes fundamentales de los dispositivos ópticos cuánticos utilizados hoy en día en informática, criptografía y metrología cuántica. Estos dispositivos utilizan emisores cuánticos que, después de la excitación, producen fotones individuales con una probabilidad cercana al 100% y tiempos de emisión del orden de unos pocos a decenas de nanosegundos.
La calidad de una fuente de un solo fotón depende de su capacidad (i) para extraer fotones individuales con alta eficiencia, (ii) para reducir la incertidumbre del tiempo de emisión, (iii) para aumentar la tasa de repetición y (iv) para descartar fuentes de dos fotones. eventos.
Este estudio presenta un enfoque novedoso que puede mejorar la eficiencia de extracción y reducir la incertidumbre sobre el tiempo de emisión aprovechando el efecto Purcell. Este efecto consiste en la modificación de la probabilidad de emisión de un emisor cuántico debido a la interacción con su entorno.
A diferencia de enfoques anteriores que requieren estructuras bidimensionales o tridimensionales para obtener un modo guiado, este nuevo enfoque solo necesita un sistema unidimensional. El diseño propuesto se puede implementar con una amplia variedad de materiales y es muy resistente a las imperfecciones de fabricación. Además, como sistema unidimensional, ocupa mucho menos espacio que las estructuras de cristal fotónico bidimensionales propuestas anteriormente, lo que proporciona ventajas para la integración del dispositivo en un chip.
En principio, el emisor cuántico ubicado en la guía de ondas emite fotones en ambas direcciones de la guía de ondas, pero existen estrategias para emitir los fotones en una sola dirección. Por ejemplo, es posible utilizar emisores polarizados circularmente (en los que el campo eléctrico del fotón gira a medida que se propaga la luz) o modificar un extremo de la guía de ondas para implementar un reflector de Bragg.
Aunque este estudio se ha centrado en guías de ondas formadas por nanoestructuras esféricas, los resultados se pueden aplicar fácilmente a otros tipos de elementos, como corrugaciones periódicas en una guía de ondas rectangular.
Se trata de un trabajo de investigación de los científicos Alejandro Manjavacas, del Instituto de Óptica "Daza de Valdés" del CSIC y F. Javier García de Abajo, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona.
Más información: Alejandro Manjavacas et al, Fuente de fotón único altamente direccional, Nanofotónica (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0276
Proporcionado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas
