Команда российских и американских ученых создала самый яркий в мире источник одиночных фотонов

Твердотельные квантовые излучатели широко востребованы в передовых технологических областях, включая сенсорику и фотонные квантовые технологии. Как правило, они обладают недостаточной интенсивностью излучения одиночных фотонов (яркостью) для практических применений, и перспективным решением данной проблемы может быть усиление сигнала плазмонными наноструктурами.

Команда ученых Университета Пардью (США) и исследовательского центра НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» и МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия) разработали новую прорывную технологию – однофотонный источник с интенсивностью излучения 35 миллионов фотонов в секунду. Выполненный на основе плазмонных антенн, он стал самым ярким в мире твердотельным источником единичных фотонов, работающим при комнатной температуре.

Плазмонные наноантенны становятся привлекательной альтернативой фотонным кристаллам для ускорения спонтанного квантового излучения при комнатной температуре. Однако до недавнего времени их использование было затруднено в связи с большими оптическими потерями. Международная команда исследователей использовала наноантенны, выполненные полностью из монокристаллического серебра – плазмонного материала с рекордно низкими оптическими потерями. Металл с уникальными свойствами был получен в результате применения запатентованной SCULL-технологии НОЦ ФМН. Объединение наноантенн с фотостабильными одиночными центрами азотных вакансий (NV) в наноалмазах позволило авторам экспериментально самое яркое однофотонное излучение при комнатной температуре.

«Благодаря SCULL-технологии осаждения эпитаксиальных металлов, нашей команде удалось, казалось бы, невозможное: создать материалы, позволяющие в 70 раз снизить среднее время жизни флуоресценции и увеличить среднюю интенсивность излучения эмиттеров более чем в 90 раз. Мы показали, что однофотонные источники на основе наноалмазов с NV-центрами в нанорезонаторах со сверхнизкими потерями могут генерировать на порядок больше фотонов в секунду, что в несколько раз превышает ранее опубликованные значения для квантовых излучателей при комнатной температуре», – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН.

Одним из преимуществ нового источника является то, что его можно разместить непосредственно на чипе для модулей систем квантовых коммуникаций, что поможет максимально уменьшить их размеры. Более того, он также может использоваться в системах оптических квантовых вычислений.

Фотонные квантовые технологии являются одной из вершин современной инженерии, приближая возможность сделать распространение квантовой запутанности и передачу квантовой информации на большие расстояния повседневной реальностью.

В отличие от других квантовых систем, одиночные фотоны могут нести квантовую информацию со многими степенями свободы, защищать ее от декогеренции и передавать со скоростью света на большие расстояния. При этом фотонные квантовые технологии могут использовать существующую элементную базу классической интегральной фотоники, что особенно привлекательно для бизнеса. 

В настоящий момент международная команда работает над изучением возможностей интеграции разработанного типа источников в реальные квантовые интегральные фотонные схемы для квантовых коммуникаций и вычислений.

Результаты совместной работы опубликованы в научном журнале Nano Letters и отмечены порталом OPN Optics как одно из лучших исследований по фотонике. Помимо этого детали можно уточнить в статье Deterministic integration of single nitrogen-vacancy centers into nanopatch antennas.

Пресс-служба НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы»

Иллюстрация: Стилизованное изображение наноалмаза, содержащего центр азотной вакансии, связанный с плазмонной наноантенной, изготовленной из кристаллического серебра с низкими потерями.

Система антенна-NV является самым ярким однофотонным источником, работающим при комнатной температуре. Источник

Источник: scientificrussia.ru

Комментарии: