Produrre un flusso rapido e costante di singoli fotoni è essenziale per abilitare le tecnologie quantistiche basate sulla fotonica, ma raccogliere fotoni in modo efficiente è difficile, perché gli emettitori quantistici possono certamente generare singoli fotoni, ma in quasi tutte le direzioni, tal per cui vanno collocati in un mezzo intermedio (l’equivalente di un imbuto, per rendere l’idea) per essere raccolti e diretti lungo uno specifico percorso. I ricercatori dell’Università della California-Santa Barbara (UCSB) sono vicini a risolvere il problema, utilizzando come mezzo intermedio una cavità ottica integrata in un chip (risonatore ad anello) che raccoglie la maggior parte della luce da singole sorgenti di fotoni e la incanala verso una guida d’onda, sempre on-chip, in modo molto efficiente.
Per generare singoli fotoni si possono usare materiali bidimensionali quali il grafene e il diseleniuro di tungsteno, che avendo solo legami atomici 2D sono estremamente sottili, e funzionano inoltre a temperatura ambiente e sono facilmente integrabili in altri materiali.
Ma c’è un’altra caratteristica che gli scienziati hanno sfruttato: i difetti, che in questi materiali sono di “punto atomico”, come la mancanza di un atomo nella struttura. Illuminando con luce laser uno di questi difetti, il materiale risponde emettendo singoli fotoni e i difetti possono essere sia scoperti che ingegnerizzati agendo a livello microscopico sul materiale.
Uno degli aspetti più impegnativi ha riguardato l’allineamento della sorgente di luce quantistica, cioè il difetto atomico all’interno del materiale, esattamente al centro di una guida onda larga solo 600 nm. Utilizzando però un microscopio ottico e alcuni accorgimenti per correggere le inevitabili distorsioni
di immagine, si è ottenuta la precisione richiesta.
Dal laboratorio alla larga scala
L’obiettivo finale di questo lavoro sperimentale è arrivare a un dispositivo in cui “premendo un pulsante” (metaforicamente parlando) si genera un singolo fotone nella guida d’onda e il prossimo passo è realizzare on-chip da decine a centinaia o migliaia di questi oggetti.
