Επιλεγμένες Εργασίες Φοιτητών

Σε αυτό το άρθρο, ο Μανόλης Κοκκινάκης, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής, σε συνεργασία με ερευνητές στο Max Planck Institute for the Science of Light (Erlangen, Γερμανία) και το Jožef Stefan Institute (Ljubljana, Σλοβενία), με επικεφαλής τους καθηγητές Maria Chekhova και Matjaž Humar έδειξαν, για πρώτη φορά, τη γένεση ζευγών σύμπλεκτων (entangled) φωτονίων από υγρό κρύσταλλο. Τα αποτελέσματα της εργασίας τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Nature και ανοίγουν το δρόμο για κβαντικές πηγές νέας γενιάς, αποδοτικές αλλά και ρυθμιζόμενες με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου ή με διαμόρφωση του προσανατολισμού των μορίων του δείγματος . 

O διαχωρισμός ενός φωτονίου σε δύο μέσω μιας μη-γραμμικής οπτικής διεργασίας γνωστή ως Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) είναι από τα πιο χρήσιμα εργαλεία στην κβαντική φωτονική καθώς μπορεί να δημιουργήσει ζεύγη σύμπλεκτων φωτονίων, heralded φωτόνια, συμπιεσμένο (squeezed) φως καθώς και πιο περίπλοκες καταστάσεις φωτός. Η SPDC είναι εφικτή σε υλικά χωρίς κεντρική συμμετρία όπου είναι επιτρεπτή η ύπαρξη μη-γραμμικής επιδεκτικότητας 2ης τάξης. Συνεπώς δεν παρατηρείται σε συνήθη υγρά/αέρια λόγω ισοτροπικότητας, αλλά μόνο σε συγκεκριμένους στερεούς μη-γραμμικούς κρυστάλλους. 

Πρόσφατα όμως έχουν κατασκευαστεί oι λεγόμενοι σιδηροηλεκτρικοί νηματικοί υγροί κρύσταλλοι (FNLCs), που αποτελούνται από επιμήκη ασυμμετρικά μόρια και δεν παρουσιάζουν κεντρική συμμετρία, παρόλο που είναι ρευστοί.  Η σημαντική ιδιότητα των μορίων τους να αναπροσανατολίζονται κάτω από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, επέτρεψε στους ερευνητές στη συγκεκριμένη εργασία, να αλλάζουν σε πραγματικό χρόνο το ρυθμό γένεσης των ζευγών φωτονίων καθώς και την πόλωσή τους.  Η απόδοση μάλιστα της γένεσης σύμπλεκτων φωτονίων είναι εξίσου μεγάλη με τους πιο αποδοτικούς μη-γραμμικούς κρυστάλλους παρόμοιου πάχους, όπως το lithium niobate.  Συνεπώς, η ενσωμάτωση ενός τέτοιου υλικού ως ευέλικτη, ρυθμιζόμενη και αποδοτική πηγή ζευγών σύμπλεκτων φωτονίων, σε πιο σύνθετες συσκευές αναμένεται να βρει πληθώρα εφαρμογών στις σύγχρονες οπτικές κβαντικές τεχνολογίες.

Εικόνα: a) Η βασική ιδέα: τόσο η ροή όσο και η κατάσταση πόλωσης των ζευγών φωτονίων μπορούν να αλλάξουν με μεταβολή προσανατολισμού των μορίων, είτε με κατάλληλο σχεδιασμό της γεωμετρίας του δείγματος είτε με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου b) Τυπική κορυφή ανίχνευσης ζεύγους φωτονίων(coincidences) σε μηδενική καθυστέρηση μεταξύ των counts των δύο ανιχνευτών. c) O ρυθμός ανίχνευσης ζευγών φωτονίων αυξάνει γραμμικά με την ισχύ του pump laser.  Ένθετο: ο λόγος  coincidence-to-accidentals συναρτήσει της ισχύος του pump laser. H αντίστροφη αναλογία είναι ενδεικτική εκπομπής 2-φωτονίων. d) Το φάσμα των παραγόμενων ζευγών φωτονίων είναι ευρυζωνικό (περιορισμένο από τα χρησιμοποιημένα φίλτρα) και σχετικά επίπεδο.

Ερευνητικό άρθρο: Sultanov, V., Kavčič, A., Kokkinakis, E., Sebastian N., Chekhova M.V., Humar M., Tunable entangled photon-pair generation in a liquid crystal. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07543-5