Simulaciones numéricas de nanoantenas ópticas para la construcción de fuentes eficientes de fotones individuales

GABRIEL PACIARONI; LORENA REBÓN; MARÍA GABRIELA CAPELUTO

Congreso; Reunión de la Asociación Física Argentina 2021; 2021

Asociación Física Argentina

El uso de sistemas cuánticos para la codificación, manipulación y transmisión de información permite realizar ciertas tareas computacionales de forma mucho más eficiente y segura que mediante su contraparte clásica. La utilización de fotones como portadores de información resulta la elección ideal para aplicaciones de comunicaciones cuánticas, debido a su alta velocidad de transmisión y baja interacción con el entorno, lo que les permite viajar largas distancias siendo poco afectados por un medio ruidoso. Además, pueden ser manipulados mediante tecnología estándar, a temperatura ambiente, e integrados a las redes de transmisión óptica existentes. Estas aplicaciones requieren de fuentes capaces de emitir fotones individuales de modo eficiente y determinista [1], lo que representa uno de los desafíos experimentales a resolver. Las fuentes basadas en emisores cuánticos (como lo son los defectos en cristales) son candidatas prometedoras para la generación de fotones individuales a temperatura ambiente. Sin embargo, dado que la emisión espontánea no es direccional, la colección de fotones en los sistemas ópticos es poco eficiente. Una forma de mejorar la tasa de emisión, direccionalidad y polarización, es modificar el entorno electromagnético del emisor, mediante el uso de cavidades o antenas. En este trabajo se realizan simulaciones numéricas por el método de elementos finitos (FEM) para estudiar las propiedades ópticas de emisores, modelados como fuentes dipolares puntuales en longitudes de onda visibles, en presencia de nanoantenas metálicas de Au y Ag. Entre otras magnitudes, se calcula el incremento de la tasa de emisión para distintas geometrías de antena, en función de la longitud de onda. Se considera tanto la forma de la antena, como los tamaños característicos yla posición del emisor. Se modelan también las propiedades ópticas del ZnO, uno de los materiales candidatos a contener los defectos que se comportan como fuentes de fotones individuales [2]. Además, se comparan los resultados de las simulaciones al representar la fuente como un dipolo eléctrico o magnético. Mediante el cómputo de las diferentes contribuciones al vector de Poynting, y separando las contribuciones radiativas de las no radiativas, se cuantifica la eficiencia de las antenas [3], tanto para colectar el flujo de energía emitida por la fuente, como para reemitirlo al campo lejano. Referencias:[1] M. D. Eisaman, J. Fan, A. Migdall, and S. V. Polyakov. Single-photon sources and detectors, Rev. Sci. Inst. 82, 071101 (2011).[2] A. J. Morfa, B. C. Gibson, M. Karg, T. J. Karle, A. D. Greentree, P. Mulvaney, and S. Tomljenovic-Hanic. Single-Photon Emission and Quantum Characterization of Zinc Oxide Defects, Nano Lett. 12, 949 (2012).[3] K. C. Y. Huang, Y. C. Jun, M. K. Seo, and M. L. Brongersma. Power flow from a dipole emitter near an optical antenna, Opt. Express 19, 19084 (2011).