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| Esquema y nomenclatura para el análisis teórico. Además de una bomba láser (para simplificar, no se dibuja aquí), los modos de entrada de señal (s1) e inactivo (i1) ingresan al cristal no lineal (NL). La interacción en el cristal conduce a la generación de señal y fotones inactivos en los modos de salida s'1 e i'1, respectivamente. Están separados por un vidrio recubierto con óxido de indio y estaño (ITO). Posteriormente, la radiación de señal y el haz de la bomba se reflejan de nuevo en el cristal por el espejo Sra. Los modos de entrada para el segundo paso se denotan por i2 y s2, que es, debido a la alineación, igual a s'1. El modo inactivo i'1 pasa a través del objeto (O), se refleja en el espejo Mi y se propaga a través del objeto nuevamente. Esto actúa como un divisor de haz (BS) con el segundo modo de entrada 3 y los modos de salida i''1 y 3'. Alineando las vigas locas, el modo i''1 corresponde a i2. Los modos de salida después del segundo pasaje son s'2 e i''2. Por último, el detector detecta la radiación de la señal (en modo s'2). El recuadro muestra la señal de interferencia simulada en las regiones de Stokes (rojo) y anti-Stokes (azul) según el modelo detallado. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065 |
Los físicos cuánticos confían en la detección cuántica como un método muy atractivo para acceder a regiones espectrales y detectar fotones (pequeños paquetes de luz) que generalmente son técnicamente desafiantes. Pueden recopilar información de muestra en la región espectral de interés y transferir los detalles a través de correlaciones de bifotones a otro rango espectral con detectores altamente sensibles. El trabajo es específicamente beneficioso para la radiación de terahercios sin detectores de semiconductores, donde los físicos deben usar esquemas de detección coherentes o bolómetros enfriados criogénicamente. En un nuevo artículo publicado en Science Advances, Mirco Kutas y un equipo de investigación en los departamentos de matemática y física industrial en Alemania describieron la primera demostración de detección cuántica en el rango de frecuencia de terahercios. Durante los experimentos, las frecuencias de terahercios interactuaron con una muestra en el espacio libre y proporcionaron información sobre el grosor de la muestra al detectar los fotones visibles. El equipo obtuvo mediciones de espesor de capa con fotones de terahercios basados en la interferencia de bifotones. Dado que la capacidad de medir el espesor de la capa de manera no destructiva es de gran relevancia industrial, Kutas et al. esperan que estos experimentos sean un primer paso hacia la detección cuántica industrial.
La detección e imagen cuántica es un esquema popular para mediciones infrarrojas que utilizan un par de fotones correlacionados visibles e infrarrojos. Los equipos de investigación habían demostrado previamente el principio general de la detección cuántica en el rango de frecuencia de terahercios utilizando un interferómetro de cristal único en la configuración de Young para medir la absorción de un cristal de niobato de litio (PPLN) periódicamente polarizado, dentro del rango de frecuencia de terahercios. En el presente trabajo, Kutas et al. generaron fotones de terahercios (inactivo) utilizando conversión espontánea paramétrica (SPDC) usando fotones de bomba a 660 km para generar fotones de señal a una longitud de onda de aproximadamente 661 nm, muy cerca de la longitud de onda de la bomba de espectros. Para probar la viabilidad de la detección cuántica a temperatura ambiente, el equipo primero analizó teóricamente el concepto de un interferómetro cuántico de cristal único.
En teoría, la configuración contenía un haz de bomba, que iluminaba un cristal no lineal para crear pares de señal (es) y fotones libres (i). Kutas et al. basó su proceso teórico en un estudio previo. En los experimentos habituales de SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea), los modos de entrada están en estado de vacío. Sin embargo, en el presente trabajo, la pequeña energía de los fotones ociosos en el rango de terahercios recibió contribuciones sustanciales de las fluctuaciones térmicas para estar en un estado térmico. Durante el experimento, el equipo esperaba separar la bomba y los fotones de señal de los fotones inactivos para interactuar con el objeto a fin de que la radiación resultante se refleje y se acople de nuevo al cristal. Ilustraron la interferencia esperada resultante del modelo para concluir que podría esperarse un patrón de interferencia en presencia de fotones térmicos para la conversión descendente (cuando la señal y los campos inactivos tienen una frecuencia más baja que la bomba), así como para la conversión ascendente.
La detección e imagen cuántica es un esquema popular para mediciones infrarrojas que utilizan un par de fotones correlacionados visibles e infrarrojos. Los equipos de investigación habían demostrado previamente el principio general de la detección cuántica en el rango de frecuencia de terahercios utilizando un interferómetro de cristal único en la configuración de Young para medir la absorción de un cristal de niobato de litio (PPLN) periódicamente polarizado, dentro del rango de frecuencia de terahercios. En el presente trabajo, Kutas et al. generaron fotones de terahercios (inactivo) utilizando conversión espontánea paramétrica (SPDC) usando fotones de bomba a 660 km para generar fotones de señal a una longitud de onda de aproximadamente 661 nm, muy cerca de la longitud de onda de la bomba de espectros. Para probar la viabilidad de la detección cuántica a temperatura ambiente, el equipo primero analizó teóricamente el concepto de un interferómetro cuántico de cristal único.
En teoría, la configuración contenía un haz de bomba, que iluminaba un cristal no lineal para crear pares de señal (es) y fotones libres (i). Kutas et al. basó su proceso teórico en un estudio previo. En los experimentos habituales de SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea), los modos de entrada están en estado de vacío. Sin embargo, en el presente trabajo, la pequeña energía de los fotones ociosos en el rango de terahercios recibió contribuciones sustanciales de las fluctuaciones térmicas para estar en un estado térmico. Durante el experimento, el equipo esperaba separar la bomba y los fotones de señal de los fotones inactivos para interactuar con el objeto a fin de que la radiación resultante se refleje y se acople de nuevo al cristal. Ilustraron la interferencia esperada resultante del modelo para concluir que podría esperarse un patrón de interferencia en presencia de fotones térmicos para la conversión descendente (cuando la señal y los campos inactivos tienen una frecuencia más baja que la bomba), así como para la conversión ascendente.
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| Esquemático del montaje experimental. Un láser de onda continua con una longitud de onda de 659.58 nm se refleja mediante un VBG (VBG1) en la parte del interferómetro de la configuración a través de una placa de media onda de orden cero (λ/2) que controla la polarización. Luego se enfoca mediante una lente f1 en una señal generadora de cristales de LiNbO3 dopado con MgO (PPLN) de 1 mm de largo y polarizada periódicamente y fotones de terahercios que están separados por un ITO. La señal y la radiación de la bomba se reflejan en Ms directamente en el cristal. La radiación de terahercios pasa el objeto dos veces, reflejándose en un espejo móvil Mi. En el segundo recorrido de la bomba a través del PPLN, se generan señales adicionales y fotones inactivos. Después, la lente f1 colima la bomba y la radiación de señal para la detección comenzando con el filtrado de la radiación de la bomba por tres VBG y filtros espaciales (SF). Para obtener el espectro angular de frecuencia, la radiación de la señal se enfoca a través de una rejilla de transmisión (TG) por la lente f2 en una cámara sCMOS. El recuadro muestra un espectro de frecuencia angular para el cristal utilizado (período de polimerización Λ = 90 μm, bombeado con 450 mW). El ángulo de dispersión corresponde al ángulo después de la transmisión del cristal al aire. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065 |
La configuración experimental actual también se basó en una configuración presentada anteriormente, extendida a un interferómetro cuántico de cristal único tipo Michelson. Los científicos utilizaron un láser de estado sólido de frecuencia doble duplicada de 660 nm como fuente de bombeo y acoplaron los fotones al interferómetro usando una rejilla de Bragg de volumen (VBG) para el medio no lineal, seleccionaron un cristal PPLN de 1 mm de largo (niobato de litio periódicamente polarizado) con un período de poling de 90 µm para generar fotones visibles (señal) y fotones asociados (inactivos) en el rango de frecuencia de terahercios. Detrás del cristal, los investigadores colocaron un vidrio recubierto con óxido de indio y estaño para separar los fotones ociosos de la bomba y los fotones de señal. Luego enfocaron directamente la bomba y enviaron la señal de radiación al cristal utilizando un espejo cóncavo.
Dado que el índice de refracción del niobato de litio (LiNbO 3) en el rango de frecuencia de terahercios condujo a un gran ángulo de dispersión de la radiación intermedia, colimaron esta radiación usando un espejo parabólico y reflejaron la radiación intermedia en un espejo plano colocado en una etapa lineal piezoeléctrica. Después de dos pasos a través del cristal, colimaron la bomba y los haces de señal y filtraron los fotones de la bomba usando tres VBG que funcionaban como filtros de muesca de banda estrecha y altamente eficientes. El equipo utilizó una cámara científica semiconductora complementaria de óxido de metal (sCMOS) como un detector. Los fotones de señal en la configuración podrían generarse mediante SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea) o mediante la conversión de los fotones térmicos en el rango de frecuencia de terahercios. La intensidad de la señal dependía linealmente de la potencia de la bomba, lo que permitía que el experimento se realizara en la región de baja ganancia.
Dado que el índice de refracción del niobato de litio (LiNbO 3) en el rango de frecuencia de terahercios condujo a un gran ángulo de dispersión de la radiación intermedia, colimaron esta radiación usando un espejo parabólico y reflejaron la radiación intermedia en un espejo plano colocado en una etapa lineal piezoeléctrica. Después de dos pasos a través del cristal, colimaron la bomba y los haces de señal y filtraron los fotones de la bomba usando tres VBG que funcionaban como filtros de muesca de banda estrecha y altamente eficientes. El equipo utilizó una cámara científica semiconductora complementaria de óxido de metal (sCMOS) como un detector. Los fotones de señal en la configuración podrían generarse mediante SPDC (conversión descendente paramétrica espontánea) o mediante la conversión de los fotones térmicos en el rango de frecuencia de terahercios. La intensidad de la señal dependía linealmente de la potencia de la bomba, lo que permitía que el experimento se realizara en la región de baja ganancia.
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| Interferencia cuántica de Terahercios. En el punto delantero colineal de la señal, se observa interferencia en las regiones (A) de Stokes y (B) anti-Stokes. (C y D) Los FFT correspondientes alcanzan un máximo de aproximadamente 1.26 THz. Al colocar un vidrio ITO adicional en la ruta del ralentí, no se pueden observar interferencias y desaparecen los picos en las FFT. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065 |
Los científicos observaron la interferencia de los fotones de señal en las regiones de Stokes y anti-Stokes, coincidiendo con la señal de interferencia simulada. Las correspondientes transformadas rápidas de Fourier (FFT) mostraron un pico durante ambas instancias en relación con las condiciones de coincidencia de fase. El ruido de los datos grabados resultó de las fluctuaciones del láser y el ruido de la cámara. Para determinar que la interferencia fue causada por los fotones de terahercios que se propagan a lo largo del camino libre, colocaron un vidrio de óxido de estaño indio entre el espejo parabólico y el plano, que bloqueó la radiación de terahercios, al tiempo que permitió la transmisión de luz visible.
Para demostrar luego la detección cuántica de terahercios, Kutas et al. midió el grosor de una variedad de placas de politetrafluoroetileno (PTFE), colocadas en la trayectoria libre con un grosor máximo de 5 mm. Debido al índice de refracción del PTFE, la longitud óptica de la ruta cambió y observaron la envoltura de la interferencia en diferentes etapas. Aparte del cambio, la visibilidad de la interferencia disminuyó en presencia de la placa de PTFE. El equipo detectó el grosor de la placa al estimar su índice de refracción utilizando una espectroscopía de dominio de tiempo estándar (TDS) del sistema. Sobre la base del índice de refracción y el desplazamiento de la señal de interferencia, calcularon el grosor de la capa. Los resultados mostraron que la interferencia cuántica con los fotones ociosos en el rango de frecuencia de terahercios permitió a los físicos determinar el espesor de la capa de las muestras en el camino de terahercios a través de la detección cuántica.
Para demostrar luego la detección cuántica de terahercios, Kutas et al. midió el grosor de una variedad de placas de politetrafluoroetileno (PTFE), colocadas en la trayectoria libre con un grosor máximo de 5 mm. Debido al índice de refracción del PTFE, la longitud óptica de la ruta cambió y observaron la envoltura de la interferencia en diferentes etapas. Aparte del cambio, la visibilidad de la interferencia disminuyó en presencia de la placa de PTFE. El equipo detectó el grosor de la placa al estimar su índice de refracción utilizando una espectroscopía de dominio de tiempo estándar (TDS) del sistema. Sobre la base del índice de refracción y el desplazamiento de la señal de interferencia, calcularon el grosor de la capa. Los resultados mostraron que la interferencia cuántica con los fotones ociosos en el rango de frecuencia de terahercios permitió a los físicos determinar el espesor de la capa de las muestras en el camino de terahercios a través de la detección cuántica.
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| Terahercios de detección cuántica. La envolvente de la interferencia se desplaza según el grosor de la placa de PTFE en las partes (A) Stokes y (B) anti-Stokes. (C) Espesor de la placa de PTFE medido por interferencia cuántica sobre el grosor de PTFE medido por un calibre micrométrico. La línea continua es la bisectriz angular. Las barras de error horizontales (ocultas por los puntos de datos) consideran los espesores desiguales de las placas de PTFE y la inexactitud de la medición de referencia. Las barras de error verticales resultan de la precisión de determinar el desplazamiento del centro de la envolvente de la interferencia. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065 |
De esta manera, Mirco Kutas y sus colegas observaron la interferencia cuántica en el rango de frecuencia de terahercios con la propagación de fotones de terahercios en el espacio libre, dentro de las regiones de Stokes y anti-Stokes. Mostraron la capacidad de usar esta técnica para determinar el grosor de una variedad de regiones de PTFE como aplicaciones de prueba de concepto en el rango de frecuencia de terahercios. Si bien el tiempo de medición y la resolución no se pueden comparar con los esquemas de medición clásicos de terahercios, el concepto presentado aquí es un primer hito hacia la imagen cuántica de terahercios.
Más información: Mirco Kutas et al. Detección cuántica de Terahercios, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aaz8065
Dmitry A. Kalashnikov y col. Espectroscopía infrarroja con luz visible, Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2015.252
Gabriela Barreto Lemos y col. Imágenes cuánticas con fotones no detectados, Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13586
Dmitry A. Kalashnikov y col. Espectroscopía infrarroja con luz visible, Nature Photonics (2016). DOI: 10.1038/nphoton.2015.252
Gabriela Barreto Lemos y col. Imágenes cuánticas con fotones no detectados, Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13586
