Сверхтонкая метаповерхность, созданная командой, обеспечивает значительное повышение оптической эффективности и позволяет генерировать фотоны на телекоммуникационных длинах волн для будущих квантовых устройств.
Исследователи Колумбийского инженерного университета сделали еще один шаг к уменьшению размеров квантового оборудования.
Группа создала сверхтонкое метаповерхностное устройство, которое усиливает нелинейные оптические эффекты в наномасштабе.
Этот прогресс основан на работе, опубликованной ранее в этом году, когда группа показала, что кристаллическое устройство толщиной всего 3,4 микрометра может генерировать запутанные пары фотонов.
Новое исследование показывает, как команде удалось сократить этот масштаб до всего лишь 160 нанометров.
Они добились этого, внедрив метаповерхности. Эти структуры основаны на искусственных узорах, вытравленных на сверхтонких кристаллах, что позволяет реализовать оптические свойства, не встречающиеся в природе.
Автор-корреспондент Кьяра Трователло сообщила, что группа нашла надежный подход к созданию таких материалов.
«Мы разработали успешный метод создания ультратонких кристаллов в наномасштабе, позволяющий улучшить нелинейность, сохраняя при этом их субволновую толщину», — сказала она. Сейчас Трователло — доцент Миланского технического университета.
Лаборатория Шука работает с дихалькогенидами переходных металлов. Эти кристаллы можно расщепить на слои толщиной всего в один атом.
Исследователи складывают их, чтобы создать оптические свойства, подходящие для квантовых систем. Однако слои остаются слишком тонкими для эффективной генерации фотонов. Это ограничивает применение материала.
Трователло отметила, что квантовое оборудование требует компактных компонентов. Она отметила, что современные источники кубитов занимают несколько сантиметров и требуют больших аппаратных помещений.
«Чтобы сделать квантовые технологии масштабируемыми, нам нужно уменьшить размер наших источников кубитов», — сказала она.
Метаповерхности усиливают выход фотонов
Ранее в этом году группа использовала периодическую поляризацию для генерации фотонов, располагая слои дисульфида молибдена в чередующихся направлениях. Такое расположение обеспечивало точное фазовое согласование.
Новая работа идёт по другому пути. Аспирант Чжи Хао Пэн протравил повторяющиеся нанолинии на пластине дисульфида молибдена. Этот узор создавал сильные нелинейные эффекты, превосходящие возможности традиционной настройки.
«Наша разработка значительно усиливает нелинейные эффекты, чем традиционные методы линейной оптической оптимизации, и, следовательно, достигает существенного улучшения, недоступного ранее», — сказал Пэн.
Метаповерхность увеличила генерацию второй гармоники почти в 150 раз по сравнению с неструктурированными образцами. При этом два фотона сливаются в один с удвоенной частотой.
Теперь команда намерена обратить это преобразование и разделить один фотон на два запутанных фотона.
Метод Пэна также снижает сложность изготовления. Джим Шак, старший исследователь, подчеркнул это преимущество.
«Нелинейные кристаллы сыграли ключевую роль во многих фотонных технологиях, но эти материалы могут быть хрупкими и, как известно, их трудно формировать и изготавливать», — сказал он.
Он добавил, что Пэн разработал простой подход, который работает со стандартными инструментами для чистых помещений.
На пути к квантовым системам на кристалле
Теоретики, работавшие над проектом, помогли определить наилучшую модель для больших нелинейных откликов. Микеле Кортуфо отметил, что структура основана на чередовании ширины линий для достижения «нетривиального поведения» в таких тонких чешуйках.
Андреа Алу отметила, что работа показывает, как спроектированные нелокальности в метаповерхностях могут обеспечить создание «компактных, интегрируемых платформ» для нелинейной оптики.
Устройство работает на телекоммуникационных частотах, что упрощает будущую интеграцию. По словам Шака, его конструктивные особенности указывают на возможность реализации полностью внутрикристальной квантовой фотоники.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.
Sourse: interestingengineering.com
