新发现：激子相互作用提升超薄量子光源中纠缠光子的生成效率

　　新加坡国立大学（NUS）的科学家们已经证明，激子共振和激子之间的跃迁可以显著提高产生纠缠光子对的效率。这一发现可能会推动高效超薄量子光源的发展。

　　量子纠缠是许多量子技术的基础，简单来说，它描述了两个量子粒子之间的性质是相互关联的，即使它们相距甚远。纠缠光子是一种无质量的光粒子，通常通过自发参数下转换（SPDC）过程生成，该过程涉及将光（称为“泵浦”光束）照射到某些类型的非线性光学晶体上。然而，SPDC本质上是一个相对低效的过程。

　　由新加坡国立大学物理系副教授苏颖魁领导的研究小组表明，通过利用非线性光学晶体中存在的多体激子相互作用，可以提高SPDC的效率。这些激子相互作用发生在光与晶体相互作用时产生的负电荷和正电荷之间。被称为激子的这些成对相反电荷源于晶体的基本激发。研究小组发现，当这些电荷靠得更近时，SPDC的效率显著提高，这一现象与光的能量或频率密切相关。

　　该研究的结果已发表在《物理评论快报》上。研究团队利用全量子力学计算分析了晶体对入射光的非线性光学响应，并解释了激子效应。第一作者Fengyuan Xuan博士指出，SPDC是一个涉及晶体中基本激发之间转换的非线性光学过程。当晶体中由于激发而产生的相反电荷彼此靠近时，这些转变的可能性就会增加。他强调，与忽略负电荷和正电荷之间相互作用的传统方法相比，这种效果更加明显。

　　Quek教授补充道，使用超薄晶体可以消除与SPDC相关的技术挑战，例如相位匹配问题。尽管由于超薄晶体的效率会随着材料体积的增加而降低，通常避免使用SPDC，但超薄晶体中较强的激子相互作用可以减轻这一影响，从而使超薄晶体成为产生纠缠光子的可行来源。

　　研究团队将理论方法应用于NbOI2，这是一种分层非线性光学材料，研究了SPDC和二次谐波产生（SHG），即SPDC的反向过程。他们根据入射光的偏振角模拟了SHG强度，并发现这些模拟结果与先前的实验工作高度一致。此外，当“泵浦”光束的频率与晶体中的激发频率密切匹配时，激子增强尤为显著。如果其中一个纠缠光子的频率与晶体中的另一个激发频率相匹配，则SPDC可以进一步增强。

　　Quek教授总结道，这些发现为使用超薄材料产生纠缠光子铺平了道路，这将更容易集成到下一代设备的混合量子-光子平台中。