Разгон до сотен терагерц: улучшены параметры однофотонного источника

Ведущие американские (Purdue University, John Hopkins University) и российские (НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы) ученые в области нанофотоники нашли способ увеличить скорость эмиссии однофотонных источников до новых рекордных значений — сотни терагерц при эффективности излучения, близкой к 100%. 

Усилия международной команды исследователей были направлены на определение оптимального режима работы однофотонного источника, при котором сохраняется максимальная яркость излучения. Объем плазмонных мод, обеспечиваемый наноструктурами, может быть на несколько порядков меньше длины волны излучения в кубе. Это приводит к значительному усилению взаимодействия света с веществом и резкому увеличению скорости генерации фотонов. Однако при дальнейшем усилении локализации света эти глубоко субволновые моды могут препятствовать быстрому излучению фотонов в свободное пространство. Плазмонные гибридные наноструктуры, сочетающие в себе сильно локализованную моду резонатора и большую моду антенны, решают эту проблему.

В работе найдены фундаментальные пределы усиления квантового излучения в подобных системах и установлено, что наилучшие рабочие характеристики достигаются в том случае, когда моды резонатора и антенны существенно различаются по размеру. Мы экспериментально подтвердили эту идею путем фотомодификации наноразмерной антенны, детерминировано собранной над наноалмазом с одним NV-центром (азотная вакансия в алмазе). В результате уменьшения расстояния (в диапазоне от 0 до 17 нм) мода резонатора сжимается, что дополнительно сокращает время жизни флуоресценции в NV-центре, увеличивая яркость однофотонного излучения.

Результаты проведенного численного моделирования дают интуитивное понимание работы систем «излучатель-резонатор-антенна» и показали, что предложенный подход может обеспечить повышение частоты излучения таких однофотонных источников до сотен ТГц с эффективностью близкой к 100%.

Для создания описанных однофотонных источников используются нанорезонаторы, выполненные на основе монокристаллического серебра – плазмонного материала с рекордно низкими оптическими потерями. Металл с уникальными свойствами был получен в результате применения запатентованной SCULL-технологии НОЦ ФМН.

Данные публикации: 

Ultrafast quantum photonics enabled by coupling plasmonic nanocavities to strongly radiative antennas

Simeon I. Bogdanov, Oksana A. Makarova, Xiaohui Xu, Zachariah O. Martin, Alexei S. Lagutchev, Matthew Olinde, Deesha Shah, Sarah N. Chowdhury, Aidar R. Gabidullin, Ilya A. Ryzhikov, Ilya A. Rodionov, Alexander V. Kildishev, Sergey I. Bozhevolnyi, Alexandra Boltasseva, Vladimir M. Shalaev and Jacob B. Khurgin

Optica 7, 5, 463-469, 2020 (ImF 9.263)

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-5-463