Jüngste Fortschritte bei auf spontaner parametrischer Abwärtskonvertierung (SPDC) basierenden Quantenlichtquellen auf der Grundlage von zweidimensionalen Schichtmaterialien wurden von einem Team unter der Leitung von Prof. Ren Xifeng von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesen erzielt Academy of Sciences, in Zusammenarbeit mit Prof. Qiu Chengwei und Dr. Guo Qiangbing von der National University of Singapore (NUS). Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.
Miniaturisierung und Integration sind Strategien, die in optischen Quantensystemen weit verbreitet sind, um ihre Skalierbarkeit und Stabilität zu verbessern und somit einen Weg zu skalierbaren und praktischen Lösungen für optisches Quantencomputing und Quantenkommunikation zu bieten.
In dieser Studie berichteten die Forscher über einen Van-der-Waals-Kristall (NbOCl2) mit monoschichtähnlichem exzitonischem Verhalten in massiver Form, was auf eine verifizierte schwache elektronische Kopplung zwischen den Schichten hinweist. Theoretische Berechnungen implizierten, dass eine solch schwache Zwischenschichtkopplung von der starken ionischen Nb-Cl-Bindung im Kristall herrührte.
Die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) ist der nichtlineare optische Prozess niedrigster Ordnung, bei dem die nichtlineare optische Suszeptibilität zweiter Ordnung für die Erzeugung von Licht bei der Frequenz der zweiten Harmonischen verantwortlich ist. Trotz einer hohen nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung zeigen herkömmliche 2D-Materialien (z. B. WS2) eine abnehmende SHG-Reaktion mit zunehmender Schichtzahl, während die skalierbare SHG-Intensität in NbOCl2 bis zu drei Größenordnungen höher ist als die in Monoschicht WS2.
Bemerkenswerterweise ist diese neu gemeldete Kristallflocke nur 46 nm dünn. Die starke Nichtlinearität zweiter Ordnung von kristallinem NbOCl2 ermöglicht einen SPDC-Prozess, einen nichtlinearen Prozess zweiter Ordnung, bei dem ein Photon von einem starken Pumplaser in ein Photonenpaar umgewandelt wird, was bedeutet, dass die Detektion eines Photons des Paars das Vorhandensein ankündigt das andere.
Die Entdeckung macht Kristall-NbOCl2 sowohl zur dünnsten als auch zur ersten zweidimensionalen SPDC-Quelle, über die jemals berichtet wurde.
Die Ergebnisse dieser Studie bieten nicht nur eine integrierbare Quantenlichtquelle für die optische Quanteninformationstechnologie, sondern eröffnen auch eine neue Richtung in der Untersuchung der optischen Nichtlinearität in zweidimensionalen Materialien.
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Qiangbing Guo et al, Ultradünne Quantenlichtquelle mit Van-der-Waals-NbOCl2-Kristall, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05393-7