Bound states in the continuum (BIC) in metamaterials have recently attracted attention for their promising applications in photonics. Here, we investigate the transition from Fano resonances to BIC, at terahertz (THz) frequencies, of a one-dimensional photonic crystal slab made of rectangular dielectric rods. Simulations performed by an analytical exact solution of the Maxwell equations showed that symmetry-protected, high-quality factor (Q), BIC emerge at normal incidence. For non-normal incidence, BIC couple with the freely propagating waves and appear in the scattering field as a Fano resonance. Simulations were verified by realizing the photonic crystal slab by 3D-printing technique. THz time-domain spectroscopy measurements as a function of the incidence angle matched the simulation to good accuracy and confirmed the evolution of Fano resonances to high-Q resonances typical of BIC. These results point out the design of highly sensitive and low-cost THz devices for sensing for a wide range of applications.
Category: Optics and electromagnetic theory
Press release Supervised Single-shot Polarimetry (ITA)
Ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche e della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un polarimetro “intelligente” ultra-veloce e super-compatto che permette di utilizzare la polarizzazione della luce per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura, dei sensori fotonici e della medicina. Lo strumento è descritto in un articolo su Nature Communications
Ricercatori dell’Istituto dei Sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Isc) e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un innovativo strumento che permette di “vedere” tramite la polarizzazione, e utilizzare tale proprietà per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura su grande distanza, dei sensori fotonici con funzionalità aumentate, e nuovi strumenti per la medicina.
La polarizzazione, assieme alla frequenza e all’intensità, è una delle tre proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche. Mentre le ultime due si manifestano ogni giorno tramite i colori e la brillantezza di una moltitudine di sorgenti di luce diverse quali led, microonde e laser, la polarizzazione della luce è meno conosciuta. I nostri occhi non sono sensibili a questa proprietà – che indica la direzione di oscillazione del campo ottico – e non ci accorgiamo, pertanto, di come essa sia alla base del funzionamento di oggetti di uso comune, come i display. Vedere tramite la polarizzazione permette di rilevare oggetti apparentemente invisibili in condizioni di scarsissima visibilità, e di scoprire dettagli che sono nascosti nelle normali fotografie. Inoltre, in applicazioni quali la visione digitale permette di osservare caratteristiche fisiche dei materiali nascoste – come tensioni, torsioni ed imperfezioni superficiali – e svolge un ruolo chiave nel settore dell’informazione quantistica.
Lo strumento sviluppato da Davide Pierangeli e Claudio Conti, rispettivamente dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma supera il limite dell’assenza, fino ad oggi, di metodi e strumenti compatti per ottenere immagini in polarizzazione in modo ultraveloce: gli attuali rivelatori, infatti – i cosiddetti polarimetri – utilizzano molte misurazioni tramite apparati ottici costosi e voluminosi.
In particolare, il dispositivo realizzato è innovativo in quanto permette di misurare molte polarizzazioni in un singolo “shot”, basandosi sull’intelligenza artificiale. Inoltre, non necessita dei componenti ottici convenzionali di polarizzazione.
“Rivelare la così detta «terza dimensione della luce» in modo efficiente è una sfida centrale per la fotonica”, spiega Davide Pierangeli (Cnr-Isc). “La nostra idea è stata quella di rivelare la polarizzazione misurando un’altra proprietà fisica apparentemente non collegata ad essa, cioè la distribuzione d’intensità ottica che viene prodotta da un chip disordinato, e da questa tramite tecniche di apprendimento automatico estrarre l’informazione sulle molte polarizzazioni codificate nel fascio laser”.
“Il nostro studio dimostra un rivelatore di polarizzazione smart basato su intelligenza artificiale con funzionalità attualmente non ottenibili in strumenti convenzionali”, continua Claudio Conti (Sapienza Università di Roma). “Questo apre le porte alla comunicazione ottica sicura, a nuovi strumenti per la medicina e la guida autonoma”.
Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre importanti prospettive per l’applicazione della luce polarizzata strutturata nella comunicazione ottica, nell’imaging, e nella computazione.
https://www.fmag.it/2023/04/12/polarizzazione-immagini-svelata-ia-ricerca/
Riferimenti:
Single-shot polarimetry of vector beams by supervised learning – Davide Pierangeli & Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-37474-0
(Nature) Photonics and the Nobel Prize in Physics 2021
Boson sampling solitons by quantum machine learning
https://arxiv.org/abs/2110.12379
We use a neural network variational ansatz to compute Gaussian quantum discrete solitons in an array of waveguides described by the quantum discrete nonlinear Schroedinger equation. By training the quantum machine learning model in the phase space, we find different quantum soliton solutions varying the number of particles and interaction strength. The use of Gaussian states enables measuring the degree of entanglement and the boson sampling patterns. We compute the probability of generating different particle pairs when varying the soliton features and unveil that bound states of discrete solitons emit correlated pairs of photons. These results may have a role in boson sampling experiments with nonlinear systems and in developing quantum processors to generate entangled many-photon nonlinear states.
