Des scientifiques de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont montré que les résonances excitoniques et les transitions entre excitons peuvent augmenter considérablement l’efficacité de la génération de paires de photons intriqués. Cela pourrait conduire au développement de sources lumineuses quantiques ultra-minces efficaces.
L’intrication quantique est la pierre angulaire de nombreuses technologies quantiques. En termes simples, elle décrit un phénomène dans lequel les propriétés de deux particules quantiques sont liées, même lorsqu’elles sont très éloignées.
Les photons intriqués, qui sont des particules de lumière sans masse, sont généralement générés par un faisceau lumineux (appelé « faisceau de pompage ») sur certains types de cristaux appelés cristaux optiques non linéaires, grâce à un processus appelé conversion paramétrique spontanée descendante (SPDC). Cependant, la SPDC est par nature un processus plutôt inefficace.
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur associé Su Ying Quek du département de physique de la NUS, a montré que l’efficacité du SPDC peut être améliorée en exploitant les interactions excitoniques à plusieurs corps présentes dans le cristal optique non linéaire.
Ces interactions excitoniques se produisent entre des charges négatives et positives qui sont créées lorsque la lumière interagit avec le cristal. Appelées excitons, ces paires de charges opposées proviennent des excitations fondamentales du cristal. L’équipe a montré que lorsque ces charges sont plus proches les unes des autres, l’efficacité du SPDC augmente considérablement, en fonction de l’énergie ou de la fréquence de la lumière.
Les résultats de la recherche ont été publié dans le journal Lettres d’examen physique.
Ces prédictions ont été faites à l’aide de calculs mécaniques entièrement quantiques pour analyser la réponse optique non linéaire des cristaux à la lumière incidente et pour tenir compte des effets excitoniques.
Le Dr Fengyuan Xuan, auteur principal de ces travaux, explique : « Le SPDC est fondamentalement un processus optique non linéaire qui implique des transitions entre les excitations fondamentales dans le cristal. La probabilité de ces transitions augmente lorsque les charges opposées dues aux excitations dans le cristal sont situées plus près les unes des autres.
« Cet effet est devenu évident lorsque nos résultats ont été comparés à un traitement plus conventionnel qui néglige l’interaction entre les charges négatives et positives. »
Le professeur Quek a déclaré : « L’utilisation de cristaux ultrafins peut éliminer un défi technique associé au SPDC, connu sous le nom de problème de correspondance de phase. Bien que les cristaux ultrafins soient généralement évités pour le SPDC parce que l’on pensait que leur efficacité diminuait avec le volume du matériau, les interactions excitoniques plus fortes dans ces cristaux ultrafins peuvent atténuer cet effet. Cela fait des cristaux ultrafins une source viable pour la production de photons intriqués. »
L’équipe a appliqué l’approche théorique au NbOI2, un matériau optique non linéaire en couches, pour étudier à la fois la SPDC et la génération de seconde harmonique (SHG), le processus inverse de la SPDC. Ils ont simulé les intensités de SHG en fonction de l’angle de polarisation de la lumière incidente et ont constaté que ces simulations concordaient bien avec les travaux expérimentaux publiés précédemment.
Ils ont également découvert que l’amplification excitonique est particulièrement forte lorsque la fréquence du faisceau de « pompage » correspond étroitement à une fréquence d’excitation dans le cristal. De plus, le SPDC peut être encore amélioré si l’un des photons intriqués a une fréquence correspondant à une autre fréquence d’excitation dans le cristal.
« Ces découvertes ouvrent la voie à la génération de photons intriqués à l’aide de matériaux ultra-minces, qui peuvent être plus facilement intégrés dans des plateformes hybrides quantiques-photoniques pour les dispositifs de nouvelle génération », a ajouté le professeur Quek.
Plus d’informations :
Fengyuan Xuan et al., Conversion paramétrique spontanée améliorée par excitons dans des cristaux bidimensionnels, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.246902. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2305.08345