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El trabajo propone utilizar un emisor cuántico (molécula o átomo que al pasar a un estado de menor energía emite un solo fotón) insertado en una guía de ondas unidimensional formada por una estructura periódica. Esta estructura está diseñada para admitir un solo modo guiado de luz en el rango espectral del emisor cuántico. Debido a ello los fotones emitidos por el emisor cuántico se acoplan preferentemente a dicho modo, obteniendo una alta direccionalidad y un factor de reducción en la incertidumbre temporal de la emisión de más 100.
Las fuentes de fotones individuales son componentes fundamentales en los dispositivos de óptica cuántica que ya se utilizan en computación, criptografía y metrología cuántica. Estos dispositivos utilizan emisores cuánticos que, tras ser excitados, producen fotones individuales con una probabilidad cercana al 100% en un tiempo característico del orden de unos pocos a decenas de nanosegundos.
La calidad de una fuente de fotones individuales depende de su capacidad para: (i) extraer los fotones individuales con gran eficiencia, (ii) reducir la incertidumbre en el tiempo de emisión, (iii) incrementar la tasa de repetición y (iv) evitar la emisión de pares fotones.
Este estudio presenta un diseño que puede mejorar la eficiencia de extracción y reducir la incertidumbre en el tiempo de emisión con un diseño que utiliza el efecto Purcell. Este efecto consiste en la modificación de la probabilidad de emisión de un emisor cuántico debido a su interacción con su entorno.
A diferencia de enfoques anteriores que requieren estructuras bidimensionales o tridimensionales para obtener un modo guiado, esta nueva propuesta solo requiere un sistema unidimensional. El diseño propuesto se puede implementar con una gran variedad de materiales y es muy robusto frente a imperfecciones de fabricación. Además, al ser un sistema unidimensional, tiene un tamaño más pequeño que las estructuras de cristales fotónicos bidimensionales propuestas anteriormente, lo que brinda ventajas a la hora de integrar el dispositivo en un chip.
En principio, el emisor cuántico alojado en la guía de ondas emite en ambas direcciones de la guía, pero existen estrategias para hacer que todos los fotones salgan en una dirección específica. Por ejemplo, se pueden usar emisores con polarización circular (en los que el campo eléctrico del fotón va girando a medida que la luz se propaga) o modificar uno de los extremos de la guía para implementar un reflector de Bragg.
Aunque este estudio se ha centrado en guías de ondas formadas por nanoestructuras esféricas, los resultados también se pueden aplicar a otros tipos de elementos, como corrugaciones periódicas en una guía de ondas rectangular.
Este es un trabajo de investigación de los investigadores Alejandro Manjavacas del Instituto de Óptica “Daza de Valdés” del CSIC y F. Javier García de Abajo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona.

Comunicación IO-CSIC
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