突破性研究发现液晶可用于高效和可调的自发参量下转换

自发参量下转换（SPDC）是量子物理和技术中产生纠缠光子的一种关键方法，传统上仅限于固体材料。然而，位于斯洛文尼亚卢布尔雅那的马克斯-普朗克光科学研究所（MPL）和约瑟夫-斯特凡研究所的研究人员最近实现了一项突破，首次在液晶中演示了 SPDC。他们的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上，为开发既高效又可通过电场调谐的新一代量子源创造了可能。

马克斯-普朗克光科学研究所生成光子对的研究装置。图片来源：Tanya Chekhova

将单光子一分为二是量子光子学中最有用的工具之一。它可以产生纠缠光子对、单光子、挤压光以及对光量子技术至关重要的更复杂的光状态。这一过程被称为自发参量下转换（SPDC）。

马克斯-普朗克光科学研究所"量子辐射"研究组组长 Maria Chekhova 教授在她的实验室。图片来源：Tanya Chekhova

SPDC 与中心对称关系密切。中心对称是指相对于某一点的对称性，例如，正方形是中心对称的，而三角形则不是。SPDC 的本质是将一个光子一分为二，它打破了中心对称。因此，只有在基本单元是中心不对称的晶体中才可能发生 SPDC。SPDC 不可能发生在普通液体或气体中，因为这些物质是各向同性的。

然而，最近研究人员发现了具有不同结构的液晶，即所谓的铁电向列液晶。尽管这些材料是流动的，但却具有强烈的中心对称破缺特征。它们的分子细长、不对称，最重要的是，它们可以在外部电场的作用下重新定向。分子的重新定向会改变所产生的光子对的偏振以及产生率。如果包装得当，这种材料的样品可以成为一种非常有用的装置，因为它可以高效地产生光子对，可以很容易地用电场进行调节，还可以集成到更复杂的装置中。

马克斯-普朗克光科学研究所的研究人员利用约瑟夫-斯特凡研究所（斯洛文尼亚卢布尔雅那）从默克电子公司合成的铁电向列液晶中制备的样品，首次在液晶中实现了 SPDC。纠缠光子的生成效率与厚度相近的最佳非线性晶体（如铌酸锂）一样高。只需施加几伏特的电场，他们就能开关光子对的产生，并改变这些光子对的偏振特性。这一发现开创了新一代量子光源：灵活、可调、高效。

编译自/ScitechDaily