100 JUTA FOTON PER DETIK DARI SATU MOLEKUL

Komunikasi kuantum, jaringan kuantum, dan komputer kuantum optik semuanya bergantung pada komponen dasar yang sama: sumber foton tunggal, perangkat yang memancarkan cahaya satu foton demi satu foton, sesuai permintaan, dengan setiap foton identik dengan foton berikutnya.

Banyak kandidat yang tersedia: atom tunggal, ion yang terperangkap, titik kuantum semikonduktor — yang paling matang — serta cacat dalam intan atau silikon. Molekul organik adalah jalur yang berbeda. Strukturnya ditentukan oleh kimia, atom demi atom, dan dapat direproduksi dengan tepat; warnanya bisa dipilih dengan merancang molekulnya. Molekul ini mungil dan murah dibuat. Didinginkan hingga mendekati nol mutlak di dalam kristal inang, molekul ini memancarkan cahaya dengan kemurnian spektral setinggi mungkin dan praktis tak pernah aus.

Masalahnya: cahaya yang hilang

Sebuah pemancar mengirimkan cahaya ke segala arah, dan sebagian besar cahaya itu tetap terperangkap di dalam material akibat pemantulan internal total. Foton yang luput dari lensa pertama hilang untuk selamanya. Solusi biasa — mikrorongga, kawat nano — memerlukan pengetsaan material. Hal itu mustahil di sini: kristal organik yang menghasilkan cahaya terbaik bersifat rapuh dan tidak tahan terhadap proses fabrikasi.

Cermin, kubah, dan lapisan 140 nanometer

Tim Stephan Götzinger di Institut Max Planck untuk Ilmu Cahaya di Erlangen memakai antena planar sebagai gantinya. Sebuah cermin perak berada di bawah lapisan silika. Di atasnya, setengah bola zirkonium oksida — sebuah “lensa imersi padat” — direkatkan langsung ke substrat, menyisakan celah yang tebalnya hanya 140 nanometer. Celah itu diisi kristal organik cair (1,4-diklorobenzena) yang mengandung beberapa molekul dibenzoterilena, yang kemudian memadat.

Cahaya diarahkan ke kubah berindeks bias tinggi; cermin memantulkan kembali cahaya yang seharusnya lolos ke arah sebaliknya. Yang terpenting, kristalnya sendiri tidak pernah dietsa: semua struktur ada pada substrat. Antena ini tidak bergantung pada resonansi sempit, sehingga bekerja pada rentang warna yang lebar dan hampir tidak bergantung pada orientasi molekul. Sampel didinginkan hingga 1,4 kelvin (−271,75 °C).

Angka-angkanya

• Efisiensi pengumpulan: 97 ± 2 % cahaya mencapai lensa pertama.
• Sekitar 100 juta foton per detik terkumpul dari satu molekul di seluruh spektrumnya — menurut para penulis, laju tertinggi yang pernah dilaporkan untuk sumber foton tunggal kriogenik mana pun, apa pun platformnya. Laju yang terdeteksi, 21,3 juta cacahan per detik, sepuluh kali lebih tinggi daripada sumber molekuler kriogenik sebelumnya.
• Kemurnian: di atas 97,5 % — foton benar-benar keluar satu per satu, bahkan di bawah eksitasi kuat.
• Ketakterbedaan: 91,2 ± 2,3 % — seberapa identik foton-foton yang berurutan, dibatasi oleh sedikit sisa kehilangan koherensi.
• Dua foton yang dipancarkan dengan selang 170,7 nanodetik masih berinterferensi dengan visibilitas tinggi.
• Sebagai hasil sampingan, tim mengukur bahwa molekul ini mengubah sekitar 90 % eksitasinya menjadi cahaya — perkiraan langsung pertama pada suhu rendah untuk molekul ini.

Molekul organik ikut berlomba

Hasil ini menempatkan molekul organik di antara platform yang kompetitif untuk foton tunggal: terang, murni, dan koheren sekaligus. Karena antena tidak perlu disetel untuk molekul tertentu, para penulis memperkirakan antena ini akan bekerja dengan pasangan molekul–kristal lain, dan karena itu pada warna lain. Tujuan mereka berikutnya: menyetel beberapa molekul yang bertetangga ke frekuensi yang sama untuk menghasilkan keadaan kuantum cahaya yang lebih kompleks — sebuah langkah menuju jaringan fotonik kuantum masa depan.