100 MILHÕES DE FÓTONS POR SEGUNDO DE UMA ÚNICA MOLÉCULA

A comunicação quântica, as redes quânticas e os computadores quânticos ópticos dependem todos da mesma peça básica: uma fonte de fótons únicos, um dispositivo que emite luz um fóton de cada vez, sob demanda, com cada fóton idêntico ao seguinte.

Existem muitas candidatas: átomos isolados, íons aprisionados, pontos quânticos semicondutores — os mais maduros — e defeitos em diamante ou silício. As moléculas orgânicas são outro caminho. Sua estrutura é definida pela química, átomo por átomo, e é exatamente reprodutível; sua cor pode ser escolhida ao projetar a molécula. Elas são minúsculas e baratas de produzir. Resfriadas perto do zero absoluto dentro de um cristal hospedeiro, emitem luz da mais alta pureza espectral possível e praticamente nunca se desgastam.

O problema: perder a luz

Um emissor envia luz em todas as direções, e boa parte dela fica presa dentro do material por reflexão interna total. Um fóton que erra a primeira lente está perdido para sempre. As soluções habituais — microcavidades, nanofios — exigem gravar o material. Aqui isso é impossível: os cristais orgânicos que dão a melhor luz são frágeis e não sobrevivem aos processos de fabricação.

Um espelho, uma cúpula e uma camada de 140 nanômetros

A equipe de Stephan Götzinger, no Instituto Max Planck de Ciência da Luz, em Erlangen, usou em vez disso uma antena planar. Um espelho de prata fica sob uma camada de sílica. Por cima, uma semiesfera de óxido de zircônio — uma “lente de imersão sólida” (solid immersion lens) — é colada diretamente ao substrato, deixando um canal de apenas 140 nanômetros de espessura. Esse canal é preenchido com um cristal orgânico fundido (1,4-diclorobenzeno) contendo algumas moléculas de dibenzoterrileno, que então se solidifica.

A luz é direcionada para a cúpula de alto índice; o espelho devolve o que escaparia para o outro lado. O ponto crucial: o próprio cristal nunca é gravado; toda a estruturação está no substrato. A antena não depende de uma ressonância estreita, então funciona numa ampla faixa de cores e quase não depende da orientação da molécula. A amostra é resfriada a 1,4 kelvin (−271,75 °C).

Os números

• Eficiência de coleta: 97 ± 2 % da luz chega à primeira lente.
• Cerca de 100 milhões de fótons por segundo coletados de uma molécula em todo o seu espectro — segundo os autores, a maior taxa já relatada para qualquer fonte criogênica de fótons únicos, seja qual for a plataforma. A taxa detectada, 21,3 milhões de contagens por segundo, é dez vezes maior que a das fontes moleculares criogênicas anteriores.
• Pureza: acima de 97,5 % — os fótons realmente saem um de cada vez, mesmo sob forte excitação.
• Indistinguibilidade: 91,2 ± 2,3 % — quão idênticos são os fótons sucessivos, limitada por uma pequena perda residual de coerência.
• Dois fótons emitidos com 170,7 nanossegundos de intervalo ainda interferem com alta visibilidade.
• Como subproduto, a equipe mediu que a molécula converte cerca de 90 % de suas excitações em luz — a primeira estimativa direta em baixa temperatura para essa molécula.

As moléculas orgânicas entram na corrida

Os resultados colocam as moléculas orgânicas entre as plataformas competitivas para fótons únicos: brilhantes, puras e coerentes ao mesmo tempo. Como a antena não precisa ser sintonizada para uma molécula específica, os autores esperam que ela funcione com outros pares molécula–cristal e, portanto, em outras cores. O próximo objetivo: sintonizar várias moléculas vizinhas na mesma frequência para produzir estados quânticos da luz mais complexos — um passo rumo às futuras redes fotônicas quânticas.