&bala; Física 18, 151
Um microchip de 10 µm de largura pode gerar luz com qualquer direção, polarização e intensidade desejadas, que serão úteis para futuras tecnologias quânticas.
Tecnologias emergentes para computação quântica e criptografia requerem pequenos componentes capazes de emitir fótons cujas propriedades são controladas com precisão. Os pesquisadores têm desenvolvido esses componentes, e agora uma equipe demonstrou uma técnica que fornece controle de direção, polarização e intensidade simultaneamente (1). Como experimentos anteriores, a técnica usa estruturas microscópicas em uma superfície semicondutores para converter excitações de superfície do tipo onda em ondas leves. Mas a nova demonstração usa formas para essas estruturas que permitem controle mais preciso sobre a luz de saída. A equipe espera que a nova técnica encontre amplo uso em esforços para criar tecnologias quânticas em dispositivos de estado sólido em miniatura.
A miniaturização de estado sólido é uma das poucas rotas realistas para tornar as tecnologias quânticas práticas, escaláveis e facilmente fabricáveis, diz Fei Ding da Universidade do Sul da Dinamarca. Mas não há muitas boas fontes de fótons compactos. “A tecnologia realmente requer uma fonte compacta e flexível de fótons de estado sólido que nos dá controle whole sobre como a luz é emitida-sua direção, polarização e perfil espacial”, diz Ding. “Isso é essential para a construção de tecnologias quânticas e nanofotônicas escaláveis, onde os fótons únicos são usados como transportadores fundamentais de informação”.
Para trabalhar em direção a essa capacidade, Ding e colegas procuraram estender pesquisas anteriores explorando a geração de fótons usando a chamada “metassurface”-uma camada de materials padronizado depositado em um chip semicondutor. Os pesquisadores colocam um objeto nanoescala e emissor de fótons chamado emissor quântico nessa superfície e o atinge com um pulso a laser. Em resposta, o emissor gera polaritons plasmônicos de superfície – excitações envolvendo ondas eletromagnéticas e movimento de carga. À medida que os polaritons viajam pelo padrão de metassuperfície de objetos de espalhamento, a energia vaza para produzir fótons que viajam no espaço livre.
Usando essa abordagem, os pesquisadores ainda não conseguiram controlar simultaneamente a direção, a polarização e a intensidade dos fótons, ou produzir várias vigas de fótons apontando em direções diferentes e com polarizações diferentes. Ding e colegas agora mostraram como superar esses desafios.
Eles construíram seu dispositivo em uma bolacha de 30 nm de espessura de dióxido de silício repousando em um espelho de prata de 150 nm de espessura como base. Para seu emissor quântico, os pesquisadores usaram um diamante em escala de nanômetro contendo alguns átomos de nitrogênio emparelhados com vagas de carbono. As ondas polariton produzidas pelo pulso a laser espalhadas pelo diamante, passando por uma região em que a equipe estabeleceu um padrão de muitas tiras de prata de 35 nm de prata. Esses objetos agem como antenas e reerradiam a energia das ondas de polariton para fora no espaço livre.
É importante ressaltar que essas tiras são retângulos, uma forma menos simétrica do que os elementos usados em experimentos anteriores. A anisotropia dessa forma permitiu que os pesquisadores controlassem independentemente as fases dos dois componentes de polarização – polarização round direita e esquerda – dos fótons emitidos. Esse controle independente permite que eles escolham as propriedades dos fótons de saída com precisão, incluindo o perfil espacial das ondas de luz. Ding e colegas demonstraram a produção de luz polarizada linearmente e circularmente emitida em uma direção escolhida, bem como emissão em várias direções ao mesmo tempo. “O que há de novo aqui é que agora podemos gerar feixes únicos ou múltiplos com proporções arbitrárias de direção, polarização e intensidade, tudo em uma estrutura geral de design”, diz Ding.
“O trabalho é promissor para muitas oportunidades na geração e gerenciamento da luz”, diz Andrea Alù, especialista em fotônica da Universidade de Nova York da cidade. “Isso se baseia em trabalhos anteriores”, diz ele, “mas agora eles integram fontes ópticas na forma de emissores quânticos de fóton único, moldando a emissão de luz com flexibilidade”.
Em trabalhos futuros, os colegas e colegas esperam integrar essa plataforma de emissão de fótons em um sistema com emissores quânticos acionados eletricamente – em vez de confiar na excitação a laser – que seria mais fácil integrar em um circuito comercial de microcip.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor de ciências freelancers que divide seu tempo entre Abergavenny, Reino Unido, e Notre Dame de Courson, França.
Referências
- S. Sande et al.“Meta-óptica acoplada ao emissor no chip para fontes versáteis de fótons”. Phys. Rev. Lett. 135086902 (2025).
