Wissenschaftler zeigen, dass exzitonische Wechselwirkungen die Effizienz der Erzeugung verschränkter Photonen steigern

Wissenschaftler der National University of Singapore (NUS) haben gezeigt, dass Exzitonenresonanzen und Übergänge zwischen Exzitonen die Effizienz der Erzeugung verschränkter Photonenpaare deutlich steigern können. Dies könnte zur Entwicklung effizienter ultradünner Quantenlichtquellen führen.

Die Quantenverschränkung ist der Grundstein vieler Quantentechnologien. Vereinfacht ausgedrückt beschreibt sie ein Phänomen, bei dem die Eigenschaften zweier Quantenteilchen miteinander verknüpft sind, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind.

Verschränkte Photonen, also masselose Lichtteilchen, werden typischerweise erzeugt, indem man Licht (den sogenannten „Pumpstrahl“) auf bestimmte Kristallarten, die als nichtlineare optische Kristalle bezeichnet werden, durch einen Prozess namens spontane parametrische Down-Conversion (SPDC) richtet. SPDC ist jedoch von Natur aus ein ziemlich ineffizienter Prozess.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Su Ying Quek von der Fakultät für Physik der NUS hat gezeigt, dass die Effizienz von SPDC durch die Nutzung der im nichtlinearen optischen Kristall vorhandenen Vielteilchen-Exzitonen-Wechselwirkungen gesteigert werden kann.

Diese exzitonischen Wechselwirkungen treten zwischen negativen und positiven Ladungen auf, die entstehen, wenn Licht mit dem Kristall interagiert. Diese als Exzitonen bekannten Paare entgegengesetzter Ladungen entstehen aus den Grundanregungen des Kristalls. Das Team zeigte, dass die Effizienz des SPDC erheblich zunimmt, wenn diese Ladungen näher beieinander liegen, abhängig von der Energie oder Frequenz des Lichts.

Die Forschungsergebnisse waren veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Diese Vorhersagen wurden mithilfe rein quantenmechanischer Berechnungen getroffen, um die nichtlineare optische Reaktion von Kristallen auf einfallendes Licht zu analysieren und Exzitoneneffekte zu berücksichtigen.

Dr. Fengyuan Xuan, der Hauptautor dieser Arbeit, erklärte: „SPDC ist im Grunde ein nichtlinearer optischer Prozess, der Übergänge zwischen den Grundanregungen im Kristall beinhaltet. Die Wahrscheinlichkeit dieser Übergänge steigt, wenn die entgegengesetzten Ladungen aufgrund der Anregungen im Kristall näher beieinander liegen.

„Dieser Effekt war deutlich, als wir unsere Ergebnisse mit einer konventionelleren Behandlung verglichen, bei der die Wechselwirkung zwischen den negativen und positiven Ladungen vernachlässigt wurde.“

Prof. Quek sagte: „Die Verwendung ultradünner Kristalle kann eine technische Herausforderung im Zusammenhang mit SPDC beseitigen, das sogenannte Phasenanpassungsproblem. Obwohl ultradünne Kristalle für SPDC normalerweise vermieden wurden, da man glaubte, dass ihre Effizienz mit dem Materialvolumen abnimmt, können die stärkeren exzitonischen Wechselwirkungen in diesen ultradünnen Kristallen diesen Effekt abmildern. Dies macht ultradünne Kristalle zu einer brauchbaren Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonen.“

Das Team wandte den theoretischen Ansatz auf NbOI2 an, ein geschichtetes nichtlineares optisches Material, um sowohl SPDC als auch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), den umgekehrten Prozess von SPDC, zu untersuchen. Sie simulierten die SHG-Intensitäten basierend auf dem Polarisationswinkel des einfallenden Lichts und stellten fest, dass diese Simulationen gut mit zuvor veröffentlichten experimentellen Arbeiten übereinstimmten.

Sie entdeckten außerdem, dass die exzitonische Verstärkung besonders stark ist, wenn die Frequenz des „Pump“-Strahls eng mit einer Anregungsfrequenz im Kristall übereinstimmt. Darüber hinaus kann der SPDC noch weiter verstärkt werden, wenn eines der verschränkten Photonen eine Frequenz hat, die mit einer anderen Anregungsfrequenz im Kristall übereinstimmt.

„Diese Entdeckungen ebnen den Weg für die Erzeugung verschränkter Photonen mithilfe ultradünner Materialien, die sich leichter in hybride quantenphotonische Plattformen für Geräte der nächsten Generation integrieren lassen“, fügte Prof. Quek hinzu.