[ad_1]
(Foco Nanowerk) Las fuentes de luz cuántica son un elemento fundamental para muchas tecnologías cuánticas, ya que permiten comunicaciones seguras, informática potente y detección e imágenes precisas. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando desarrollar fuentes de luz cuánticas eficientes, compactas y controlables, como pares de fotones entrelazados y fotones individuales. Sin embargo, los enfoques tradicionales se basan en cristales no lineales voluminosos o puntos cuánticos y centros de color distribuidos aleatoriamente, lo que limita la escalabilidad, la flexibilidad y la integración de dispositivos.
En los últimos años, el campo de la óptica plana se ha convertido en una poderosa herramienta para manipular la luz a nanoescala. Los elementos ópticos planos, como las metasuperficies, son superficies modeladas con nanoestructuras de escala inferior a la longitud de onda que pueden controlar la amplitud, la fase, la polarización y otras propiedades de la luz. Al diseñar específicamente la forma, el tamaño y la disposición de estas nanoestructuras, los investigadores pueden crear componentes ópticos ultrafinos, livianos y multifuncionales que superan las capacidades de la óptica voluminosa tradicional.
Ahora una nueva ola de investigación está combinando las áreas de la óptica plana y las fuentes de luz cuánticas con el objetivo de crear fuentes de luz cuánticas mejoradas, compactas y versátiles. En una revisión exhaustiva publicada en Materiales avanzados (“Engineering Quantum Light Sources with Flat Optics”), un equipo de investigación de Australia, ha examinado los últimos avances en este apasionante campo y ha destacado el potencial de la óptica plana para revolucionar la generación y el control de la luz cuántica.
El artículo se centra en dos tipos principales de fuentes de luz cuánticas: pares de fotones entrelazados generados por conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) en metasuperficies no lineales, y fotones individuales emitidos desde puntos cuánticos y centros de color en materiales como el arseniuro de galio, el diamante y el nitruro de boro hexagonal. . En ambos casos, los investigadores muestran cómo los elementos ópticos planos pueden mejorar la eficiencia, directividad y funcionalidad de estas fuentes.
Por ejemplo, los investigadores destacan un estudio que utilizó una metasuperficie de niobato de litio para generar pares de fotones entrelazados con un aumento de brillo de dos órdenes de magnitud en comparación con una película no estructurada. Esta metasuperficie con nanoestructuras cuidadosamente diseñadas también permitió la creación de estados cuánticos complejos, como modos espacialmente entrelazados y estados de clúster, que son esenciales para aplicaciones en comunicaciones cuánticas y computación cuántica.
En otro ejemplo, la integración de un único punto cuántico con una metasuperficie circular de rejilla de Bragg dio como resultado un aumento de 20 veces en la eficiencia de recolección de fotones individuales a través de una lente de baja apertura numérica. Esta mejora se atribuyó a la capacidad de la metasuperficie para dar forma a la emisión en un perfil gaussiano y aumentar la tasa de emisión a través del efecto Purcell.
La revisión también destaca el potencial de nuevos materiales bidimensionales, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) y el nitruro de boro hexagonal (hBN), como plataformas prometedoras para fuentes de luz cuánticas. TMD como el diseleniuro de tungsteno (WSe2) albergan defectos ópticamente activos que pueden emitir fotones individuales, mientras que hBN puede albergar centros de color brillantes y fotoestables.
La integración de estos materiales con elementos ópticos planos, como las nanocavidades plasmónicas, ha dado lugar a mejoras significativas en el brillo y la tasa de emisión de los emisores cuánticos. Por ejemplo, el acoplamiento de WSe2 Los emisores colocados en una nanocavidad plasmónica dieron como resultado una reducción de 15 veces en la vida útil del excitón, lo que indica una fuerte mejora de Purcell.
De cara al futuro, los investigadores identifican varios desafíos y oportunidades clave para este campo. Un objetivo importante es aumentar aún más la eficiencia y el brillo de las fuentes de luz cuánticas basadas en metasuperficies, que actualmente van por detrás de sus homólogas masivas debido a la longitud de interacción limitada de las nanoestructuras. Esto podría abordarse mediante estrategias de diseño avanzadas, como el uso de resonancias de alta calidad con factores Q superiores a 10.4 y optimizar el acoplamiento entre los emisores y los modos ópticos.
Otra perspectiva interesante es el desarrollo de fuentes de luz cuánticas dinámicamente sintonizables y reconfigurables utilizando metasuperficies activas. Al incorporar materiales cuyas propiedades ópticas puedan modularse mediante estímulos externos, como campos eléctricos o pulsos ópticos, los investigadores podrían crear fuentes cuánticas con un control y una adaptabilidad sin precedentes.
Por último, la integración de fuentes de luz cuánticas planas basadas en óptica con otros componentes fotónicos como guías de ondas, detectores y moduladores será crucial para la realización de sistemas cuánticos completos en un chip. Esto requiere avances en nanofabricación, procesamiento de materiales y diseño de dispositivos, pero las implicaciones podrían ser transformadoras para áreas que van desde las comunicaciones seguras hasta las imágenes biomédicas.
La convergencia de la óptica plana y las fuentes de luz cuánticas representa un avance importante en la búsqueda de tecnologías cuánticas compactas, eficientes y versátiles. Al aprovechar el poder de las metasuperficies para crear, manipular y controlar estados cuánticos de la luz a nanoescala, los investigadores están abriendo nuevas fronteras. tanto en la ciencia fundamental como en las aplicaciones prácticas. A medida que el campo evoluciona, podemos esperar dispositivos cuánticos cada vez más sofisticados que aprovechen las capacidades únicas de la óptica plana, acercándonos al objetivo largamente buscado de sistemas cuánticos integrados y escalables para computación, comunicaciones y detección.
Aunque todavía quedan muchos desafíos por superar, los avances destacados en este informe ofrecen una visión tentadora del futuro de las tecnologías cuánticas. Con avances continuos en la ciencia de los materiales, la nanofabricación y el diseño óptico, las fuentes de luz cuántica basadas en óptica plana podrían convertirse en una tecnología clave para una amplia gama de aplicaciones, desde redes de comunicaciones seguras hasta imágenes biomédicas de alta sensibilidad y más. A medida que los investigadores continúan superando los límites de lo que es posible con estos dispositivos innovadores, podemos esperar una nueva era de tecnologías cuánticas mejoradas que transformarán la forma en que procesamos, transmitimos y detectamos información a nanoescala.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]