"Fóton no microondas": a criação de um sistema controlado de dois níveis de fótons

"A felicidade pode ser encontrada mesmo em tempos sombrios, se você não esquecer de se voltar para a luz." Essas palavras foram ditas por um personagem fictício que está bem longe da ciência. Mas em nosso mundo, os cientistas costumam se voltar para a luz em busca de sua verdadeira felicidade - novas descobertas. E em que consiste a luz, por assim dizer? Dos fótons. Esta partícula elementar tornou-se a base de muitas descobertas, tecnologias e pesquisas. Mas até hoje, suas propriedades são completamente desconhecidas para ninguém. Mas isso não impede que os cientistas continuem a usar fótons em seus trabalhos, práticos ou teóricos. Hoje, vamos nos familiarizar com o estudo do sistema de fótons, que, segundo os cientistas, permitirá que você obtenha controle completo sobre a energia e a fase dos fótons. Para isso, é necessário usar as propriedades dos sistemas atômicos e moleculares, onde é possível o controle do estado dos elétrons por meio de um campo eletromagnético externo. Como, por que e por que - aprendemos com o relatório dos pesquisadores. Vamos lá

Base de estudo

Um fator importante no controle eletro-óptico coerente de um sistema de fótons de dois níveis é a duração do fóton, que em todos os estados de energia deve ser muito maior do que o necessário para uma transição simples do sistema de um estado para outro. Para isso, é necessário o uso de métodos de controle eletro-óptico. No entanto, existem várias dificuldades. Grandes sistemas ópticos com amplificadores ópticos podem simular um sistema clássico de dois níveis, mas a coerência quântica dos fótons é simplesmente destruída durante a operação. Se você usa plataformas fotônicas integradas tradicionais, elas não podem prever a existência a longo prazo de um fóton e uma modulação rápida. Portanto, eles também não são adequados para os fins dos cientistas. Mas ressonadores baseados em dióxido de silício (SiO ₂ ) ou nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) podem ser controlados exclusivamente eletricamente através do efeito térmico. A modulação eletro-óptica rápida é fornecida por plataformas fotônicas eletricamente ativas baseadas em silício, grafeno e vários polímeros. Essa é uma clara vantagem, mas a vida útil do fóton nesses sistemas é extremamente curta quando comparada às plataformas eletricamente passivas.

E, como costuma acontecer quando não existe trabalhador e algo eficaz, os cientistas criam sua própria versão. Nesse caso, é um sistema de fótons de dois níveis que pode ser controlado por sinais de microondas em gigahertz.

Este sistema é um dispositivo com dois microanéis de niobato de lítio (imagem c ), cujos diâmetros são de 80 μm. É importante notar que a distância entre os anéis é extremamente pequena, como pode ser visto na imagem de um microscópio eletrônico de varredura ( a ).


Instantâneos do dispositivo

A imagem acima b mostra a seção transversal do perfil do modo óptico no ressonador de anel. Mas d é um instantâneo da matriz dos dispositivos acima em um único chip.


Configuração experimental

O dispositivo em teste é bombeado opticamente por um laser de telecomunicações sintonizável (comprimento de onda 1630 nm). A luz que passa através de um modulador eletro-óptico (EO Mod) e controladores de polarização (PLC) entra no chip através de uma fibra de lente. O sinal óptico de saída é enviado através de uma fibra para o fotodetector de 12 GHz. Depois disso, o sinal elétrico convertido é enviado para o osciloscópio. Os sinais de controle de microondas são gerados pelo AWG (gerador de forma de onda arbitrária) e, em seguida, amplificados e enviados para o dispositivo. Para controlar a corrente direta, foi utilizado um viés em forma de T.

Graças à baixa perda óptica e à co-integração de eletrodos de microondas, os cientistas conseguiram uma largura de banda muito impressionante de> 30 GHz, eficiência de modulação de 0,5 GHz / V e vida útil de 2 ns.


Imagem Nº 1

Um sistema de fótons de dois níveis é implementado devido a um par de ressonadores ópticos de micro-anéis idênticos e interconectados (na imagem 1a, isso é ω1 = ω2). Essa ligação forma uma molécula de fóton peculiar com dois níveis de energia: o modo simétrico (S) e o modo assimétrico (AS). E o campo de microondas interage com o sistema através do forte efeito Pockels * .

Efeito Pockels * - o aparecimento de dupla refração da luz quando exposto a um campo elétrico constante ou alternado.

A confirmação dos dois níveis de energia é a medição da transmissão óptica (gráfico 1c ).

Os próprios modos ópticos são divididos da seguinte forma: 2μ = 2π x 7 GHz. E a linha espectral do ressonador para cada um é γ = 2π x 96 MHz, que corresponde ao fator de qualidade Q = 1,9 x 10 ⁶ . Esses indicadores confirmam mais uma vez a estabilidade do sistema fotônico de dois níveis obtido.

O principal instrumento para monitorar o sistema é um campo de microondas coerente com uma onda contínua. Os cientistas apontam que esse "formato" de controle é semelhante aos sistemas atômicos de dois níveis. Mas há uma diferença importante: no sistema de fótons, cada um dos dois níveis pode preencher mais de 1 fóton.

Quando a frequência do microondas coincide com a diferença de energia dos dois níveis, surge uma conexão estável entre os dois modos (S e AS), inicialmente separados. Isso leva à divisão dos níveis de energia, que também é chamado de efeito Outler-Townes (imagem 2a ).


Imagem No. 2

No sistema testado, é possível controlar a amplitude dos sinais de microondas, o que permite definir a frequência de divisão em um nível de vários gigahertz ( 2b ). Se a frequência de microondas estiver muito alterada com a frequência de transição, um efeito de dispersão surge, comparável ao efeito variável de Stark nos sistemas atômicos ( 2c ). Este efeito permite controlar o grau de força de ligação entre os níveis de energia da molécula fotônica testada.


Imagem No. 3

As duas imagens superiores mostram a dinâmica espectral coerente da molécula de fótons, mais precisamente, medidas das oscilações de Rabi sob diferentes efeitos de micro-ondas no sistema: 3a - dados experimentais e 3b - dados teóricos. A análise dos dados mostra que há controle sobre uma ampla gama de frequências Rabi.

A Figura 3c mostra a oscilação Rabi sob a ação de microondas de 1,1 V a uma frequência de 1,1 GHz, que corresponde ao eixo real da esfera de Bloch. Por sua vez, o gráfico 3d mostra os sinais de amplificação no fotodetector, que são o resultado da interferência de Ramsey.

E agora nos voltamos para as dimensões finais, mas não menos importantes.

No experimento, os cientistas decidiram usar uma conversão de frequência unitária para executar uma tarefa muito importante de qualquer processo de processamento de sinais ópticos - o armazenamento e a extração de fótons sob demanda.

Os cientistas observam que o uso de um ressonador estático pode retardar o processo de propagação de fótons, mas essa desaceleração é limitada pelas frequências do ressonador, portanto, elas não podem ser controladas.

Mas o uso de um ressonador modulado dinamicamente não tem essas desvantagens. Para obter controle sobre a gravação de fótons no ressonador e a leitura de fótons a partir de um guia de ondas externo, é necessário alterar a força do acoplamento óptico antes da expiração da vida útil do fóton no ressonador.


Imagem No. 4

Para isso, foi aplicado um viés de CC de 15 V, o que tornou possível reformatar a molécula fotônica em um par de modos "escuro" e "claro". A moda leve está localizada no primeiro toque ( 4a ). Como ela ainda tem acesso ao guia de ondas óptico de entrada, ela é chamada de luz opticamente. O modo escuro está localizado no segundo toque e não está conectado ao guia de ondas; portanto, é chamado opticamente escuro. No entanto, o acesso ao modo escuro pode ser obtido aplicando radiação de microondas com uma frequência que coincide com a diferença entre os dois modos ópticos. Esse processo leva à formação de uma conexão estável entre esses modos (gráficos em 4b ).

O uso de um sinal de microondas no modo claro permite convertê-lo em escuro ( 4s ). Quando o sinal de microondas é desligado, os fótons permanecem no modo escuro e, portanto, são separados do guia de ondas. Após analisar a intensidade dos pulsos ópticos obtidos no modo escuro, foi possível estabelecer o período de sua existência - 2 nanossegundos, e isso é 2 vezes maior. que o modo luz ( 4d ).

Para um conhecimento detalhado do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas.

Epílogo

Segundo os cientistas, este estudo pode ser uma ferramenta útil no estudo das propriedades dos fótons e métodos de sua aplicação em futuras tecnologias de transmissão e armazenamento de dados.

Tais manipulações com fótons ainda são difíceis de implementar, embora tenham um grande potencial. Essa técnica de um sistema controlado de fótons de dois níveis (e no futuro, de vários níveis, de acordo com os pesquisadores) pode ser aplicada em cálculos completamente novos de fótons, computadores quânticos e fotônicos topológicos.

Apesar de todas as dificuldades, os cientistas continuam sonhando com alta tecnologia e estão fazendo de tudo para tornar esses sonhos realidade. Afinal, nada é perfeito neste mundo, o que significa que há muito que pode e deve ser melhorado.

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