量子のブレークスルー: 多機能メタレンズがフォトニクスをどのように変革するか

長春光学研究所、精密機械物理学、CASA、2023 年 8 月 12 日

2D 六方晶系窒化ホウ素からの量子発光の任意の成形に使用される多機能メタレンズの芸術的なイラスト。 クレジット: Chi Li、Jaehyuck Jang、Trevon Badloe、Tieshan Yang、Joohoon Kim、Jaekyung Kim、Minh Nguyen、Stefan A. Maier、Junsuk Rho、Haoran Ren、Igor Aharonovich

Scientists have developed a multifunctional metalens capable of structuring quantum emissions from single photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">フォトンエミッター。 この革新により、量子放射の操作が可能になり、暗号化や情報セキュリティへの潜在的な影響を含む、量子技術の新たな進歩が約束されます。

量子発光は、フォトニック量子技術の実現にとって極めて重要です。 六方晶系窒化ホウ素 (hBN) 欠陥などの固体単一光子エミッター (SPE) は室温で動作します。 堅牢性と明るさのため、非常に望ましいものです。 SPE から光子を収集する従来の方法は、高開口数 (NA) 対物レンズまたは微細構造アンテナに依存しています。 光子の収集効率は高い可能性がありますが、これらのツールは量子放射を操作できません。 放出される量子光源の望ましい構造を達成するには、偏光子や位相板などの複数のかさばる光学素子が必要です。

最近ジャーナル「eLight」に掲載された新しい論文の中で、博士ら率いる国際科学者チームは次のように述べています。 モナシュ大学の Chi Li 氏と Haoran Ren 氏は、SPE からの量子発光を構造化するための新しい多機能メタレンズを開発しました。 光ビームをさまざまな空間形式に任意に変換する機能は、量子光源にとって不可欠です。

Metasurfaces have transformed the landscape of photonic design. It has led to major technological advances from optical imaging and holography to LiDAR and molecular sensing. Recently, the direct integration of nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケールのエミッターをナノ構造の共振器とメタ表面に組み込むことは、SPE の発光の基本的な調整を収集して実証するように設計されています。 これらの初期の実証により、量子発光の操作を進歩させるには平面光学の必要性が生じました。

研究チームは、多機能メタレンズを設計およびエンジニアリングすることでこの問題に対処しました。 新しいメタレンズは韓国の物理学者博士によって製造されました。 浦項科学技術大学のジェヒョク・チャン、トレボン・バドロー、ジュンソク・ロ教授。 方向性、偏光、軌道角運動量 (OAM) の自由度を同時に調整できます。 彼らはメタレンズを利用して、室温で動作する hBN 内の SPE からの量子発光の多次元構造を実証しました。