Quantum nonlinear optics with 2D materials

二维材料的量子非线性光学

基本信息

  • 批准号:
    EP/V00171X/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.85万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2021 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

When two beams from light torches cross, they do not clash like sabres from "Star Wars", but simply continue each its own way. This follows from the fact that free photons do not interact. However, when placed in an appropriate medium, photons can effectively feel the presence of each other, making the response of the optical system dependent on the number of photons. In this case, we say it has an optical nonlinearity provided by the medium. Typically the larger the volume, the stronger the nonlinearity, and the goal is to achieve prominent nonlinearity at the smallest possible scale. Together with the "sabre-effect", nonlinearity can ultimately provide the efficient manipulation of quantum states for photons. Thus with high level of nonlinearity single photon states can be prepared and used in quantum information processing. This would result in ultrafast quantum computing and communication platforms, serving as the basis for quantum applications that include secure communication networks, increased computational power and sensing at a level impossible to reach without quantum technologies.When light is confined in an optical cavity (for instance, set by two mirrors), its interaction with the medium is greatly enhanced. If the average number of roundtrips made by photons becomes large, they can hybridize with excitations in the medium, leading to half-light half-matter quasiparticles - polaritons. The hybridization makes confined light and the resulting polaritons able to interact. This ability stays behind the progress in numerous applications of classical nonlinear optics, including optical solitons for fast broadband communication. However, the task of finding an optimal system, where large nonlinearity for polaritons is achieved in the limit of few quanta, remains an open question.In the project, I will discover ways to increase optical nonlinearity at the minuscule scale. This will become possible by studying strong light-matter coupling in two-dimensional (2D) materials, where monolayer thickness can be smaller than a nanometer. Considering combinations of a few layers, I will show that the nonlinear response for polaritons can be elevated to the level where single photon processes become observable. The research will thus enable these easy-to-produce miniature systems for quantum optical processing to function as a platform for affordable quantum technologies.
当两束光火炬交叉时,它们不会像《星球大战》中的军刀那样相互碰撞,而只是各自继续各自的方式。这是因为自由光子不相互作用的事实。然而,当放置在适当的介质中时,光子可以有效地感觉到彼此的存在,从而使光学系统的响应取决于光子的数量。在这种情况下,我们说它具有由介质提供的光学非线性。通常,音量越大,非线性就越强,目标是在尽可能小的范围内实现显著的非线性。与“军刀效应”一起,非线性最终可以为光子提供有效的量子态操纵。因此,由于具有高度的非线性,可以制备单光子态并将其用于量子信息处理。这将导致超快的量子计算和通信平台,作为量子应用的基础,包括安全的通信网络,增加的计算能力和传感水平,如果没有量子技术是不可能达到的。当光被限制在光学腔中(例如,由两面镜子设置)时,它与介质的相互作用大大增强。如果光子的平均往返次数变大,它们可以与介质中的激发相混合,从而产生半光半物质准粒子--极化子。这种杂交使受限光和产生的极化子能够相互作用。这种能力落后于经典非线性光学在许多方面的应用,包括用于快速宽带通信的光孤子。然而,寻找一个最优系统的任务,其中极化子的大的非线性度是在少数量子的限制,仍然是一个悬而未决的问题。在这个项目中,我将发现在最小的尺度上增加光学非线性的方法。这将通过研究二维(2D)材料中强的光-物质耦合成为可能,其中单层厚度可以小于一纳米。考虑到几个层的组合,我将证明极化子的非线性响应可以提升到可以观察到单光子过程的水平。因此,这项研究将使这些易于生产的量子光学处理微型系统能够作为负担得起的量子技术的平台发挥作用。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Nonlinear Response of Trion-Polaritons in Two-Dimensional Materials
二维材料中 Trion 极化子的非线性响应
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kok Wee Song
  • 通讯作者:
    Kok Wee Song
Nonlinear interactions of dipolar excitons and polaritons in MoS2 bilayers
MoS2 双层中偶极激子和极化子的非线性相互作用
Superexchange and spin-orbit coupling in monolayer and bilayer chromium trihalides
  • DOI:
    10.1103/physrevb.106.245111
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    K. Song;V. Fal’ko
  • 通讯作者:
    K. Song;V. Fal’ko
Nonlinear Rydberg exciton-polaritons in Cu2O microcavities
Cu2O 微腔中的非线性里德伯激子极化子
  • DOI:
    10.1038/s41377-024-01382-9
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Makhonin M
  • 通讯作者:
    Makhonin M
Few-photon all-optical phase rotation in a quantum-well micropillar cavity
量子阱微柱腔中的少光子全光相位旋转
  • DOI:
    10.1038/s41566-022-01019-6
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    35
  • 作者:
    Kuriakose T
  • 通讯作者:
    Kuriakose T
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  • 作者:
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    2022
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  • 批准号:
    RGPIN-2021-03029
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 43.85万
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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