В январе группа под руководством Джима Шука, профессора машиностроения в Колумбийской школе инженерии, разработала метод создания запутанных пар фотонов — ключевой компонент новых квантовых технологий. Для этого использовали кристаллическое устройство толщиной всего 3,4 микрометра.
В октябре в журнале Nature Photonics была опубликована статья, в которой инженеры из Колумбийского университета уменьшили нелинейные платформы с высокой эффективностью до 160 нанометров, внедрив метаповерхности. Это искусственные геометрические формы, вытравленные в ультратонких кристаллах и придающие им новые оптические свойства.
«Мы разработали успешный рецепт для создания узоров на ультратонких кристаллах на наноуровне, чтобы усилить нелинейность, сохраняя их толщину менее длины волны», — сказала автор статьи Киара Троватолло.
Лаборатория Шука работает с классом кристаллов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMDs), которые можно расщеплять на слои толщиной в атом и собирать в настраиваемые стопки. Несмотря на их большую нелинейность, эти ультратонкие слои оказывались слишком тонкими для эффективной генерации фотонов с новыми частотами по сравнению с обычными нелинейными кристаллами, например, в лазерных указках.
«Размер не имеет значения для таких устройств, как лазерная указка, которую вы держите в руке. Но для квантовых технологий, таких как квантовые процессоры, размер становится решающим», — объяснила Троватолло. Эти устройства работают с квантовыми битами, или кубитами. Современные источники кубитов имеют размеры в несколько сантиметров, и для их работы требуются сотни, если не тысячи кубитов.
В своей статье, опубликованной в январе в Nature Photonics, команда использовала технику периодического поляризационного управления для генерации фотонов, которые однажды могут питать кубиты. Для этого слои TMD, называемого дисульфидом молибдена, были уложены в чередующихся направлениях для оптимизации его оптических характеристик.
Теперь они подробно описывают дополнительную платформу: TMD с высоко настраиваемыми вытравленными метаповерхностями. Метаповерхности позволяют исследователям вводить новые свойства, которых в противном случае не существовало бы. Немодифицированные кристаллы имеют естественно повторяющийся узор атомов, который определяет их оптические свойства. Чтобы создать метаповерхность, участки атомов стратегически удаляются, создавая новые периодические геометрии, которые, в свою очередь, дают новые оптические свойства, определяемые дизайном.
Доктор философии и первый автор Чжи Хао Пэн, разработавший необходимую технологию нанофабрикации, вытравил серию повторяющихся линий на чешуйке дисульфида молибдена. «Наша конструкция усиливает нелинейные эффекты гораздо больше, чем традиционные методы линейной оптической оптимизации, и, таким образом, достигает сильного усиления, которое ранее было невозможно», — сказал Пэн.
Их метаповерхность усилила так называемую генерацию второй гармоники почти в 150 раз по сравнению с неупорядоченными образцами. В генерации второй гармоники два фотона сливаются в один с удвоенной частотой и половиной длины волны исходных световых частиц.
Подход Пэна требует меньшего количества шагов, которые проще и дешевле в исполнении, чем предыдущие методы создания узоров. «Нелинейные кристаллы были ключом ко многим фотонным технологиям, но эти материалы могут быть хрупкими, и их было трудно формировать и изготавливать», — объяснил Шюк. «Пэн придумал технику, которая обманчиво проста. Теперь мы можем создавать всё более сложные узоры, используя стандартные технологии травления в чистых помещениях».
Теоретические соавторы Андреа Алу из Центра перспективных научных исследований CUNY и его бывший докторант Микеле Кортуфо работали с командой Колумбийского университета, чтобы определить схему метаповерхности, необходимую для усиления нелинейного отклика TMD и достижения макроскопической эффективности на ультратонких длинах пути.
«Мы показали, что такое нетривиальное поведение может быть получено с помощью удивительно простой модификации образца: вместо работы с плоскими чешуйками мы формируем на них периодическое расположение линий с чередующимися ширинами», — сказал Кортуфо, ныне доцент Университета Рочестера.
Метаповерхности находятся в авангарде области фотоники уже около десяти лет, но устройство Пэна и его коллег — одно из первых, в котором они объединены с двумерным кристаллом с таким мощным эффектом. «Эта работа демонстрирует, как спроектированные нелокальности в метаповерхностях могут открыть беспрецедентную нелинейную эффективность в сочетании с двумерными материалами», — сказал Алу. «Интересно видеть, как концепции, которые мы разрабатываем в нанофотонике и метаматериалах, могут обеспечить компактные интегрируемые платформы для нелинейной оптики и генерации света».
Этот свет имеет длину волны, соответствующую телекоммуникационным диапазонам, что должно сделать производимые ими фотоны легко интегрируемыми с текущими сетями и телекоммуникационными устройствами. «Это может быть один из самых компактных источников запутанных фотонов в этом диапазоне длин волн. С нашим размером мы действительно можем начать думать о полностью интегральной квантовой фотонике на чипе», — сказал Шюк.
Предоставлено [Колумбийским университетом, Школа инженерии и прикладных наук](https://phys.org/partners/columbia-university-school-of-engineering-and-applied-science/)