一项开创性的研究证明了液晶可实现高效、可调的自发参量下转换(SPDC)，从而将量子光源的潜力扩展到传统固体材料之外。

自发参量下转换 (SPDC) 是量子物理和技术中用于产生纠缠光子的关键方法，传统上仅限于固体材料。然而，马克斯·普朗克光科学研究所 (MPL)和斯洛文尼亚卢布尔雅那约瑟夫·斯蒂芬研究所的研究人员最近取得了突破，首次在液晶中展示了 SPDC。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，为开发高效且可通过电场调节的新一代量子源铺平了道路。

将单个光子分裂成两个是量子光子学中最有用的工具之一。它可以产生纠缠光子对、单光子、压缩光，甚至更复杂的光状态，这些对于光学量子技术至关重要。这个过程被称为自发参量下转换 (SPDC)。

玛丽亚·契诃夫在实验室

玛利亚·契诃夫 (Maria Chekhova) 教授是马克斯·普朗克光科学研究所实验室中“量子辐射”研究小组的负责人。图片来源：Tanya Chekhova

SPDC 与中心对称性密切相关。这是相对于点的对称性 - 例如，正方形是中心对称的，但三角形不是。SPDC 的本质 - 将一个光子分裂成两个 - 打破了中心对称性。因此，它只可能发生在基本晶胞为中心不对称的晶体中。SPDC 不能发生在普通液体或气体中，因为这些材料是各向同性的。

液晶领域的突破

然而，最近，研究人员发现了具有不同结构的液晶，即所谓的铁电向列液晶。尽管这些材料具有流动性，但它们具有强烈的中心对称性破坏。它们的分子细长且不对称。最重要的是，它们可以通过外部电场重新定向。

分子重新定向会改变所生成光子对的极化以及生成速率。如果封装得当，这种材料的样品可以成为非常有用的设备，因为它可以高效地生成光子对，可以用电场轻松调节，并且可以集成到更复杂的设备中。

马克斯普朗克光科学研究所的研究人员利用 Jozef Stefan 研究所(斯洛文尼亚卢布尔雅那)制备的由 Merck Electronics KGaA 合成的铁电向列液晶样品，首次在液晶中实现了 SPDC。纠缠光子产生的效率与厚度相同的最佳非线性晶体(如铌酸锂)一样高。通过施加仅几伏的电场，他们能够打开和关闭光子对的生成，以及改变这些光子对的极化特性。