Nanoresonateurs et métasurfaces diélectriques pour la génération de paires de photons – NanoPair

Il a été démontré que les nanorésonateurs diélectriques et les métasurfaces fabriquées à partir de ces résonateurs permettent un contrôle de la diffusion, de la réflexion et de la transmission de la lumière. Dans des structures ayant une non-linéarité d'ordre 2, une génération de seconde harmonique efficace peut être utilisée pour générer de la lumière classique, dont les propriétés dépendent de la géométrie des nanorésonateurs. Le projet nanoPAIR veut comprendre si un tel contrôle est également possible sur les propriétés quantiques de la lumière non classique générée dans des nanorésonateurs et des métasurfaces diélectriques. Plus précisément, nous étudierons la façon dont le spectre, la distribution spatiale, la polarisation et l'intrication de paires de photons générés par la conversion paramétrique descendante spontanée (SPDC) dépendent des propriétés des matériaux du substrat, de la géométrie des nanorésonateurs et de leur disposition en métasurfaces.
Les propriétés optiques des nanorésonateurs diélectriques sont dictées par des résonances localisées, que l'on peut décrire comme étant une superposition de multipoles, et qui définissent les profils de champ local et les directions d'émission des photons impliqués dans la SPDC. À l'aide de la description multipolaire, nous établirons d'abord une compréhension systématique des propriétés classiques possibles des paires de photons générées, c'est-à-dire leur polarisation, leur spectre et leur direction d'émission, en fonction des dimensions géométriques, des asymétries et des propriétés non linéaires des nanorésonateurs individuels.
En combinant plusieurs nanorésonateurs similaires dans des métasurfaces, nous visons à améliorer l'efficacité de la SPDC et à trouver des paramètres d'accord supplémentaires, par exemple la périodicité du réseau véhiculant le couplage entre nanorésonateurs, la symétrie du réseau et l'orientation des nanorésonateurs par rapport au réseau de la métasurface.
La compréhension de la façon d'utiliser ces paramètres pour contrôler les paires de photons revelera tout le potentiel des métasurfaces non linéaires pour la génération d'états quantiques. Nous visons à obtenir une vraie orthogonalité des paramètres de contrôle par rapport à leur influence sur les propriétés des paires de photons, afin de réaliser des combinaisons presque arbitraires de leurs polarisation, direction et spectre, selon les besoins de chaque application.
Nos investigations comprendront une modélisation analytique et des simulations rigoureuses de la SPDC dans les nanostructures, la réalisation de nanorésonateurs et de métasurfaces en Arséniure de Galium-Alluminium et en Niobate de Lithium ainsi que la vérification expérimentale des effets découverts.
Avec nos recherches, nous allons permettre l'utilisation de métasurfaces comme sources de paires de photons avec un grand nombre de modes spatiaux, où les propriétés de chaque mode peuvent être ajustées individuellement. Ceci est notamment différent par rapport à d'autres types de source permettant la génération de paires de photons spatialement multimodes, par exemple des cristaux massifs, dont les propriétés cristallines figées déterminent les modes qui peuvent être utilisés. Par conséquent, les métasurfaces sont des sources prometteuses pour des applications d'optique quantique reposant sur de nombreux modes spatiaux, comme par exemple l'imagerie quantique à haute résolution ou la communication quantique en espace libre avec des faisceaux tourbillonnaires intriqués.