새로운 금속렌즈는 양자 방출의 고급 제어를 위한 길을 밝힙니다.

2023년 8월 8일

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양자 방출은 광양자 기술을 구현하는 데 중추적인 역할을 합니다. 육방정계 질화붕소(hBN) 결함과 같은 고체 단일 광자 방출기(SPE)는 실온에서 작동합니다. 견고성과 밝기로 인해 매우 바람직합니다.

SPE에서 광자를 수집하는 기존 방법은 높은 NA(개구수) 대물렌즈 또는 미세 구조 안테나를 사용합니다. 광자 수집 효율성은 높을 수 있지만 이러한 도구는 양자 방출을 조작할 수 없습니다. 방출된 양자 광원의 원하는 구조를 달성하려면 편광판 및 위상판과 같은 여러 개의 부피가 큰 광학 요소가 필요합니다.

eLight에 발표된 새로운 논문에서 Monash University의 Chi Li 박사와 Haoran Ren 박사가 이끄는 국제 과학자 팀은 SPE의 양자 방출을 구조화하기 위한 새로운 다기능 금속 렌즈를 개발했습니다.

다양한 공간 형태로 광학 빔을 임의로 변환하는 능력은 양자 광원에 필수적입니다. 메타표면은 포토닉 디자인의 환경을 변화시켰습니다. 이는 광학 이미징 및 홀로그래피에서 LiDAR 및 분자 감지에 이르기까지 주요 기술 발전을 가져왔습니다.

최근에는 SPE 방출의 기본 조정을 수집하고 시연하기 위해 나노 크기 방출기를 나노 구조 공진기와 메타 표면에 직접 통합하도록 설계되었습니다. 이러한 초기 시연은 양자 방출 조작을 발전시키기 위한 평면 광학의 필요성을 구성했습니다.

연구팀은 다기능 금속렌즈를 설계하고 엔지니어링함으로써 이 문제를 해결했습니다. 새로운 금속렌즈는 포항과학기술대학교의 한국 물리학자 장재혁 박사와 Trevon Badloe 박사, 노준석 교수가 제작했습니다. 방향성, 편광 및 궤도 각 운동량(OAM) 자유도를 동시에 조정할 수 있습니다. 그들은 실온에서 작동하는 hBN의 SPE로부터 양자 방출의 다차원 구조화를 입증하기 위해 메탈렌을 활용했습니다.

연구팀은 양자 방출 방향성의 임의적 형성을 시연했습니다. 그들은 또한 다양한 나선형 파면이 메탈렌 프로파일에 추가되어 SPE의 직교 편파에서 독특한 OAM 모드가 생성될 수 있음을 보여주었습니다. 획기적인 실험 작업은 시드니 공과대학교와 Igor Aharonovich 교수가 이끄는 TMOS(호주 연구 위원회 우수 센터)에서 수행되었습니다.

다양한 자유도에서 양자 방출의 시연된 임의 파면 형성은 고급 양자 광자 응용을 위한 고차원 양자 소스로 사용되는 고체 SPE의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.

팀의 신기술은 실온에서 여러 자유도로 양자 방출의 임의 파면 형성을 위해 초박형 메타 광학을 사용하는 새로운 플랫폼을 제공합니다. 이는 양자 정보 과학 분야에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다. 연구팀은 광자 편광을 조작하면 향상된 필터링을 통해 양자 암호화 및 얽힘 분포에 상당한 영향을 미칠 수 있다고 믿습니다. 편광 분리는 편광 얽힌 광자 쌍 생성을 위해 향후 hBN SPE를 사용하는 데 필수적입니다.

메탈렌의 미래 확장은 고차원 단일 광자 하이브리드 양자 상태의 생성을 가능하게 할 수 있습니다. 광섬유와 같은 안정적인 전송 환경과 구조화된 SPE 소스의 향후 통합은 더 높은 정보 용량, 잡음에 대한 견고성 및 더 나은 보안을 갖춘 양자 네트워크를 약속할 수 있습니다.