"Fotón en el microondas": la creación de un sistema controlado de fotones de dos niveles

"La felicidad se puede encontrar incluso en tiempos oscuros, si no se olvida de recurrir a la luz". Estas palabras fueron dichas por un personaje ficticio que está bastante lejos de la ciencia. Pero en nuestro mundo, los científicos a menudo recurren a la luz en busca de su verdadera felicidad: nuevos descubrimientos. ¿Y en qué consiste la luz, por así decirlo? De los fotones. Esta partícula elemental se ha convertido en la base de muchos descubrimientos, tecnologías e investigaciones. Pero hasta el día de hoy, sus propiedades son completamente desconocidas para cualquiera. Pero esto no impide que los científicos continúen utilizando fotones en sus trabajos, prácticos o teóricos. Hoy nos familiarizaremos con el estudio del sistema de fotones, que según los científicos le permitirá obtener un control completo sobre la energía y la fase de los fotones. Para esto, es necesario utilizar las propiedades de los sistemas atómicos y moleculares, donde es posible el control sobre el estado de los electrones mediante un campo electromagnético externo. Cómo, por qué y por qué: aprendemos del informe de los investigadores. Vamos

Base de estudio

Un factor importante en el control electroóptico coherente de un sistema de fotones de dos niveles es la duración del fotón, que en todos los estados de energía debería ser mucho más largo de lo que se requiere para una transición simple del sistema de un estado a otro. Para lograr esto, es necesario utilizar métodos de control electroóptico. Sin embargo, hay una serie de dificultades. Los grandes sistemas ópticos con amplificadores ópticos pueden simular un sistema clásico de dos niveles, pero la coherencia cuántica de los fotones simplemente se destruye durante la operación. Si utiliza plataformas fotónicas integradas tradicionales, entonces no pueden proporcionar la existencia a largo plazo de un fotón y una modulación rápida. Por lo tanto, tampoco son adecuados para los propósitos de los científicos. Pero los resonadores basados ​​en dióxido de silicio (SiO ₂ ) o nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) pueden controlarse exclusivamente eléctricamente a través del efecto térmico. La modulación electroóptica rápida es proporcionada por plataformas fotónicas eléctricamente activas basadas en silicio, grafeno y varios polímeros. Esta es una clara ventaja, pero la vida útil de los fotones en tales sistemas es extremadamente corta en comparación con las plataformas eléctricamente pasivas.

Y, como sucede a menudo cuando no hay un trabajador existente y algo efectivo, los científicos crean su propia versión. En este caso, es un sistema de fotones de dos niveles que puede controlarse mediante señales de microondas de gigahercios.

Este sistema es un dispositivo con dos microanillos de niobato de litio (imagen c ), cuyos diámetros son 80 μm. Es importante tener en cuenta que la distancia entre los anillos es extremadamente pequeña, como se puede ver en la imagen de un microscopio electrónico de barrido ( a ).


Instantáneas del dispositivo

La imagen de arriba b muestra la sección transversal del perfil del modo óptico en el resonador de anillo. Pero d es una instantánea de la matriz de los dispositivos anteriores en un solo chip.


Configuración experimental

El dispositivo bajo prueba es bombeado ópticamente por un láser de telecomunicaciones sintonizable (longitud de onda de 1630 nm). La luz que pasa a través de un modulador electroóptico (EO Mod) y controladores de polarización (PLC), ingresa al chip a través de una fibra de lente. La señal óptica saliente se envía a través de una fibra al fotodetector de 12 GHz. Después de eso, la señal eléctrica convertida se envía al osciloscopio. Las señales de control de microondas son generadas por AWG (Arbitrary Waveform Generator), y luego amplificadas y enviadas al dispositivo. Para controlar la corriente continua, se utilizó un sesgo en forma de T (Bias T).

Gracias a la baja pérdida óptica y la cointegración de los electrodos de microondas, los científicos lograron un ancho de banda muy impresionante de> 30 GHz, una eficiencia de modulación de 0.5 GHz / V y una vida útil de fotones de 2 ns.


Imagen No. 1

Se implementa un sistema de fotones de dos niveles debido a un par de resonadores de microanillos ópticos idénticos e interconectados (en la imagen 1a esto es ω1 = ω2). Tal enlace forma una molécula de fotón peculiar con dos niveles de energía: el modo simétrico (S) y el modo asimétrico (AS). Y el campo de microondas interactúa con el sistema a través del fuerte efecto Pockels * .

El efecto Pockels * : la aparición de una doble refracción de la luz cuando se expone a un campo eléctrico constante o alterno.

La confirmación de los dos niveles de energía es la medición de la transmisión óptica (gráfico 1c ).

Los modos ópticos se dividen de la siguiente manera: 2μ = 2π x 7 GHz. Y la línea espectral del resonador para cada uno es γ = 2π x 96 MHz, que corresponde al factor de calidad Q = 1.9 x 10 ⁶ . Estos indicadores confirman una vez más la estabilidad del sistema fotónico de dos niveles obtenido.

El instrumento principal para monitorear el sistema es un campo de microondas coherente con una onda continua. Los científicos señalan que tal "formato" de control es similar a los sistemas atómicos de dos niveles. Pero hay una diferencia importante: en el sistema de fotones, cada uno de los dos niveles puede llenar más de 1 fotón.

Cuando la frecuencia de microondas coincide con la diferencia de energía de los dos niveles, surge una conexión estable entre los dos modos (S y AS), que inicialmente estaban separados. Esto conduce a la división de los niveles de energía, que también se denomina efecto Outler-Townes (imagen 2a ).


Imagen No. 2

En el sistema probado, es posible controlar la amplitud de las señales de microondas, lo que le permite establecer la frecuencia de división en un nivel de varios gigahercios ( 2b ). Si la frecuencia de microondas está muy alterada con la frecuencia de transición, surge un efecto de dispersión, comparable al efecto Stark variable en los sistemas atómicos ( 2c ). Este efecto le permite controlar el grado de fuerza de enlace entre los niveles de energía de la molécula fotónica probada.


Imagen No. 3

Las dos imágenes superiores muestran la dinámica espectral coherente de la molécula de fotón, más precisamente, las mediciones de las oscilaciones Rabi bajo diferentes efectos de microondas en el sistema: 3a - datos experimentales, y 3b - datos teóricos. El análisis de datos muestra que existe un control sobre un rango bastante amplio de frecuencias Rabi.

La Figura 3c muestra la oscilación Rabi bajo la acción de microondas de 1.1 V a una frecuencia de 1.1 GHz, que corresponde al eje real de la esfera de Bloch. A su vez, el gráfico 3D muestra las señales de amplificación en el fotodetector, que son el resultado de la interferencia de Ramsey.

Y ahora pasamos a las dimensiones finales, pero no menos importantes.

En el experimento, los científicos decidieron usar una conversión de frecuencia unitaria para realizar una tarea muy importante de cualquier proceso de procesamiento de señales ópticas: el almacenamiento y la extracción de fotones bajo demanda.

Los científicos señalan que el uso de un resonador estático puede ralentizar el proceso de propagación de fotones, pero dicha desaceleración está limitada por las frecuencias del resonador, por lo que no se pueden controlar.

Pero el uso de un resonador modulado dinámicamente no tiene tales desventajas. Para obtener control sobre la grabación de fotones en el resonador y la lectura de fotones de una guía de onda externa, es necesario cambiar la fuerza del acoplamiento óptico antes de que expire la vida del fotón en el resonador.


Imagen No. 4

Para lograr esto, se aplicó una polarización DC de 15 V, lo que hizo posible reformatear la molécula fotónica en un par de modos "oscuro" y "claro". La moda ligera se encuentra en el primer anillo ( 4a ). Como todavía tiene acceso a la guía de ondas ópticas de entrada, se le llama ópticamente ligera. El modo oscuro se encuentra en el segundo anillo y no está conectado con la guía de ondas; por lo tanto, se llama ópticamente oscuro. Sin embargo, el acceso al modo oscuro se puede obtener aplicando radiación de microondas con una frecuencia que coincida con la diferencia entre los dos modos ópticos. Este proceso conduce a la formación de una conexión estable entre estos modos (gráficos en 4b ).

El uso de una señal de microondas en el modo de luz le permite convertirlo en oscuro ( 4s ). Cuando se apaga la señal de microondas, los fotones permanecen en el modo oscuro, por lo que se separan de la guía de ondas. Después de analizar la intensidad de los pulsos ópticos obtenidos en el modo oscuro, fue posible establecer el período de su existencia: 2 nanosegundos, y esto es 2 veces más largo. que el modo de luz ( 4d ).

Para un conocimiento detallado del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos.

Epílogo

Según los científicos, este estudio puede ser una herramienta útil para seguir estudiando las propiedades de los fotones y los métodos de su aplicación en futuras tecnologías de transmisión y almacenamiento de datos.

Tales manipulaciones con fotones aún son difíciles de implementar, aunque tienen un gran potencial. Esta técnica de un fotón controlado de dos niveles (y en el futuro, multinivel, según los investigadores) se puede aplicar en cálculos de fotones completamente nuevos, computadoras cuánticas y fotónica topológica.

A pesar de todas las dificultades, los científicos continúan soñando con la alta tecnología y están haciendo todo lo posible para hacer realidad estos sueños. Después de todo, nada es perfecto en este mundo, lo que significa que hay mucho que puede y debe mejorarse.

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