تقدم Metasurfaces الرنانة إمكانيات جديدة مثيرة لبحوث الكم
تمر فوتونات المضخة عبر السطح الخارق الطنين وتنتج أزواج فوتونات متشابكة بأطوال موجية مختلفة. الائتمان: سانتياغو كروز وآخرون، العلوم 377: 6609، 991-995 (2022))
نجح العلماء في إنشاء أزواج من الفوتونات على عدة ترددات مختلفة باستخدام أسطح رنانة.
نجح كل من Tomás Santiago-Cruz و Maria Chekhova من معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء وجامعة Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg بالتعاون مع مختبرات Sandia الوطنية في استخدام الأسطح الرنانة لإنشاء أزواج الفوتونات على عدة ترددات مختلفة.
الفوتون هو الكم (الحد الأدنى من الكمية المتضمنة في التفاعل) لأي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الضوء.
تعد الفوتونات ضرورية لعدد من مجالات وتقنيات البحث المعاصرة، بما في ذلك هندسة الحالة الكمومية، والتي تمثل بدورها حجر الزاوية لجميع التقنيات الضوئية الكمية.
بمساعدة الضوئيات الكمومية، يعمل المهندسون والعلماء على إنشاء تقنيات جديدة مثل أنواع جديدة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة وأشكال جديدة من التشفير لقنوات اتصال آمنة للغاية. c
يعد إنشاء أزواج الفوتون أحد المتطلبات الرئيسية لهندسة الحالة الكمومية. تم تحقيق ذلك تقليديًا من خلال استخدام أحد التأثيرين غير الخطيين، التحويل التلقائي إلى أسفل حدودي (SPDC) أو الخلط التلقائي بأربع موجات (SFWM)، في العناصر البصرية المجمعة.
تتسبب التأثيرات غير الخطية في تحلل واحد أو اثنين من فوتونات المضخات تلقائيًا إلى زوج من الفوتونات.
ومع ذلك، تتطلب هذه التأثيرات حفظًا صارمًا للزخم للفوتونات المعنية. أي مادة يتعين على الفوتونات أن تنتقل عبرها لها خصائص تشتت تمنع حفظ الزخم.
لا تزال هناك تقنيات لا تزال تحقق الحفظ المطلوب، ولكنها تحد بشدة من تنوع الحالات التي يمكن فيها إنتاج أزواج الفوتون.
نتيجة لذلك، على الرغم من أن العناصر البصرية التقليدية مثل البلورات غير الخطية والموجهات الموجية قد أنتجت بنجاح العديد من الحالات الكمومية الضوئية، إلا أن استخدامها محدود ومرهق. لذلك، ركز الباحثون اهتمامهم مؤخرًا على ما يسمى بالأسطح السطحية البصرية.
مسح صورة مجهرية إلكترونية لواحد من الأسطح الخارقة تم اختباره في هذا العمل. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء
إنتاج أزواج الفوتون مع Metasurfaces
الأسطح السطحية عبارة عن أجهزة بصرية مستوية فائقة الرقة تتكون من صفائف من أجهزة nanoresonators. سماكة أطوالها الموجية التي تبلغ بضع مئات من النانومتر، تجعلها فعالة ثنائية الأبعاد. و
هذا يجعل التعامل معها أسهل بكثير من الأجهزة البصرية التقليدية الضخمة. والأهم من ذلك، نظرًا لسمكه الأقل، أن الحفاظ على زخم الفوتونات قد تم تخفيفه لأن الفوتونات يجب أن تنتقل عبر مواد أقل بكثير من الأجهزة البصرية التقليدية: وفقًا لمبدأ عدم اليقين، يؤدي الحبس في الفضاء إلى زخم غير محدد.
وهذا يسمح بحدوث العديد من العمليات غير الخطية والكمية بكفاءات مماثلة ويفتح الباب لاستخدام العديد من المواد الجديدة التي لن تعمل في العناصر البصرية التقليدية.
لهذا السبب، وبسبب كونها مضغوطة وأكثر عملية في التعامل معها من العناصر الضوئية الضخمة، أصبحت الأسطح الخارقة موضع التركيز كمصادر لأزواج الفوتون للتجارب الكمية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تقوم السطوح الخارقة بتحويل الفوتونات في وقت واحد بدرجات عديدة من الحرية، مثل الاستقطاب والتردد والمسار.
قام كل من Tomás Santiago-Cruz و Maria Chekhova من معهد Max Planck لعلوم الضوء و Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg بالتعاون مع المجموعة البحثية لـ Igal Brener في مختبرات Sandia الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو، بخطوة جديدة الآن في تحقيق ذلك بالضبط.
في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Science في 25 أغسطس، أوضحت تشيخوفا وزملاؤها لأول مرة كيف تنتج الأسطح الخارقة أزواجًا من الفوتونات ذات طولين موجيين مختلفين.
علاوة على ذلك، يمكن إقران الفوتونات ذات الطول الموجي المعين بالفوتونات عند طولين موجيين مختلفين أو أكثر في وقت واحد. بهذه الطريقة، يمكن للمرء إنشاء روابط متعددة بين الفوتونات ذات الألوان المختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تعمل أصداء السطح الخارق على تعزيز معدل انبعاث الفوتون بعدة أوامر من حيث الحجم مقارنة بالمصادر المنتظمة من نفس السماكة.
يعتقد Tomás Santiago-Cruz أن الأسطح الخارقة ستلعب دورًا رئيسيًا في البحث الكمي في المستقبل: “تؤدي السطوح Metasurfaces إلى تحول نموذجي في البصريات الكمومية، وتجمع بين المصادر فائقة الصغر للضوء الكمومي والإمكانيات البعيدة المدى لهندسة الحالة الكمومية.”
في المستقبل، يمكن استخدام هذه الميزات لبناء حالات كمومية معقدة كبيرة جدًا، وهي ضرورية للحساب الكمي.
علاوة على ذلك، فإن المظهر الجانبي النحيف للواجهات الوصفية وتشغيلها متعدد الوظائف يمكّن من تطوير أجهزة مضغوطة أكثر تقدمًا، تجمع بين توليد الحالات الكمية وتحويلها واكتشافها.
ماريا تشيخوفا متحمسة بشأن المسار الذي سلكه بحثهم: “أصبحت مصادر فوتوناتنا أصغر وأصغر بينما في نفس الوقت تستمر إمكانياتها في الاتساع والتوسع.”
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
