Parametrische Fluoreszenz als Quelle für verschränkte Photonen
Physik-News vom 18.06.2024
Die parametrische Fluoreszenz(spontaneous parametric down-conversion, SPDC) ist eine Quelle verschränkter Photonen und von großem Interesse für die Quantenphysik sowie die Quantentechnologie. Bisher war SPDC nur in Festkörpern möglich. Nun haben Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und des Jozef-Stefan-Instituts in Ljubljana, Slowenien, erstmals SPDC in einem Flüssigkristall nachgewiesen. Die kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse bahnen den Weg für eine neue Generation effizienter, elektrisch steuerbarer Quantenquellen.
Die Aufteilung eines einzelnen Photons in zwei Photonen stellt ein zentrales Instrument der Quantenphotonik dar. Sie ermöglicht die Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren, einzelnen Photonen, gequetschtem Licht und sogar komplexeren Lichtzuständen, die für optische Quantentechnologien von grundlegender Bedeutung sind. Dieser Vorgang ist als parametrische Fluoreszenz bekannt, oder auf Englisch als Spontaneous parametric down-conversion (SPDC).
Publikation:
Vitaliy Sultanov, Aljaž Kavčič, Emmanouil Kokkinakis, Nerea Sebastián, Maria V. Chekhova & Matjaž Humar
Tunable entangled photon-pair generation in a liquid crystal
Nature (2024)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07543-5
SPDC steht in enger Verbindung zur Punktsymmetrie, bei der es um Symmetrie bezüglich eines Zentralpunktes geht. Während ein Quadrat punktsymmetrisch ist, ist ein Dreieck dies nicht. SPDC durchbricht diese Punktsymmetrie durch die Aufspaltung eines Photons in zwei Teilphotonen. Dies ist nur in Kristallen möglich, deren Gitterzelle nicht punktsymmetrisch ist. Gewöhnliche Flüssigkeiten oder Gase sind isotrop und daher für SPDC nicht geeignet.
Forscher haben kürzlich Flüssigkristalle entdeckt, die eine ungewöhnliche Struktur aufweisen: die sogenannten ferroelektrischen nematischen Flüssigkristalle. Obwohl sie flüssig sind, zeigen diese Materialien einen ausgeprägten Bruch der Zentralsymmetrie. Ihre langgestreckten, asymmetrischen Moleküle sind besonders für die Quantentechnologie von Interesse, da ihre Ausrichtung durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Diese Neuausrichtung beeinflusst sowohl die Polarisation als auch die Erzeugungsrate der produzierten Photonenpaare. In einem passenden Behälter kann eine Probe dieses Materials ein äußerst nützliches Bauteil darstellen: Es generiert effizient Photonenpaare, lässt sich einfach durch ein elektrisches Feld steuern und kann zudem in komplexere Systeme integriert werden.
Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts haben mit Proben aus ferroelektrischen nematischen Flüssigkristallen, die im Jozef-Stefan-Institut in Ljubljana, Slowenien, hergestellt und von Merck Electronics KGaA synthetisiert wurden, eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Zum ersten Mal wurde SPDC in einem Flüssigkristall realisiert, mit einer Effizienz bei der Erzeugung verschränkter Photonen, die mit den besten nichtlinearen Kristallen vergleichbar ist, wie zum Beispiel Lithiumniobat. Mit nur wenigen Volt konnten sie die Erzeugung von Photonenpaaren steuern und die Polarisationseigenschaften anpassen. Diese Innovation markiert den Start einer neuen Ära von Quantenlichtquellen, die flexibel, abstimmbar und hoch effizient sind.
Diese Newsmeldung wurde mit Material des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
