突破性研究发现液晶可用于高效和可调的自发参量下转换

2024年07月03日 07:04 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

自发参量下转换(SPDC)是量子物理和技术中产生纠缠光子的一种关键方法,传统上仅限于固体材料。然而,位于斯洛文尼亚卢布尔雅那的马克斯-普朗克光科学研究所(MPL)和约瑟夫-斯特凡研究所的研究人员最近实现了一项突破,首次在液晶中演示了 SPDC。他们的研究成果发表在《自然》(Nature)杂志上,为开发既高效又可通过电场调谐的新一代量子源创造了可能。

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马克斯-普朗克光科学研究所生成光子对的研究装置。图片来源:Tanya Chekhova

将单光子一分为二是量子光子学中最有用的工具之一。它可以产生纠缠光子对、单光子、挤压光以及对光量子技术至关重要的更复杂的光状态。这一过程被称为自发参量下转换(SPDC)。

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马克斯-普朗克光科学研究所"量子辐射"研究组组长 Maria Chekhova 教授在她的实验室。图片来源:Tanya Chekhova

SPDC 与中心对称关系密切。中心对称是指相对于某一点的对称性,例如,正方形是中心对称的,而三角形则不是。SPDC 的本质是将一个光子一分为二,它打破了中心对称。因此,只有在基本单元是中心不对称的晶体中才可能发生 SPDC。SPDC 不可能发生在普通液体或气体中,因为这些物质是各向同性的。

然而,最近研究人员发现了具有不同结构的液晶,即所谓的铁电向列液晶。尽管这些材料是流动的,但却具有强烈的中心对称破缺特征。它们的分子细长、不对称,最重要的是,它们可以在外部电场的作用下重新定向。分子的重新定向会改变所产生的光子对的偏振以及产生率。如果包装得当,这种材料的样品可以成为一种非常有用的装置,因为它可以高效地产生光子对,可以很容易地用电场进行调节,还可以集成到更复杂的装置中。

马克斯-普朗克光科学研究所的研究人员利用约瑟夫-斯特凡研究所(斯洛文尼亚卢布尔雅那)从默克电子公司合成的铁电向列液晶中制备的样品,首次在液晶中实现了 SPDC。纠缠光子的生成效率与厚度相近的最佳非线性晶体(如铌酸锂)一样高。只需施加几伏特的电场,他们就能开关光子对的产生,并改变这些光子对的偏振特性。这一发现开创了新一代量子光源:灵活、可调、高效。

编译自/ScitechDaily

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