Quantum light sources in soft and biological materials

Kavčič, Aljaž (avtor), Humar, Matjaž (mentor)

Over the past two decades, rapid progress in the development of quantum light sources has positioned quantum optics as a cornerstone of emerging quantum technologies. This thesis presents two entirely new and distinct advances in quantum optics, each introducing quantum light sources into unconventional environments. In the first part, nanoparticles of hexagonal boron nitride (hBN) with optically active color centers were successfully introduced into living cells, where they emitted light in the form of temporally isolated single photons. Unlike conventional light sources, each color center emits exactly one photon at a time — a fundamentally quantum mechanical phenomenon with no classical analogue. The emitters showed excellent single-photon purity, outstanding emission stability with no photobleaching or spectral drift over several hours, and negligible impact on cell health. Crucially, because different color centers emit at different wavelengths and with distinct spectral profiles, they can serve as unique optical fingerprints. Combining just a few per cell allows virtually unlimited numbers of cells to be uniquely tagged. Beyond labeling, the single-photon nature of these emitters opens a path toward quantum-limited sensing and imaging inside living tissue. In addition to single-photon emitters, we also investigated sources of entangled photon pairs. These have traditionally relied on solid-state nonlinear crystals, which are rigid, difficult to tune, and offer little flexibility once fabricated. To overcome these limitations, we turn to soft matter: we developed and investigated sources based on ferroelectric nematic liquid crystals (FNLCs), a newly discovered class of organic materials with exceptionally strong intrinsic electric polarization and optical nonlinearity, as a platform for generating entangled photon pairs through spontaneous parametric down-conversion (SPDC). The results presented here mark the first demonstration of photon-pair generation in organic matter via SPDC. By reorienting the liquid crystal molecules through sample geometry or applied electric fields, the intensity, polarization state, and degree of entanglement of the generated photon pairs can all be controlled — a level of tunability not available in conventional solid-state sources. Additionally, chiral FNLCs with a self-assembled helical structure were shown to produce photon-pair generation rates comparable to or exceeding those of the best solid-state platforms. By introducing scalable, efficient, and reconfigurable quantum light sources with functionalities beyond those of conventional solid-state platforms, this work opens new directions in quantum optics and related technologies.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: quantum optics, single photons, photon pairs, entanglement, spontaneous parametric down-conversion, liquid crystals, tunable sources, hexagonal boron nitride, cellular barcodes
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-181318
• COBISS.SI-ID: 273993987
• Datum objave v RUL: 01.04.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Kvantni svetlobni izvori v mehkih in bioloških snoveh

Izvleček

V zadnjih dveh desetletjih je hiter napredek v razvoju kvantnih svetlobnih izvorov postavil kvantno optiko v ospredje nastajajočih kvantnih tehnologij. Ta doktorska disertacija predstavlja dva izvirna preboja s področja kvantne optike, ki uvajata kvantne svetlobne izvore v nekonvencionalna okolja. V prvem delu so bili nanodelci heksagonalnega borovega nitrida (hBN) z optično aktivnimi barvnimi centri uspešno vneseni v žive celice, kjer so oddajali svetlobo v obliki časovno ločenih posameznih fotonov. Za razliko od konvencionalnih svetlobnih izvorov vsak barvni center odda natanko en foton naenkrat pri čemer gre za pojav kvantno-mehanske narave, ki ga klasična optika ne predvideva. Tovrstni izvori so izkazali visoko čistost enofotonskega sevanja, izjemno stabilnost brez degradacije ali spektralnih premikov v obdobju več ur ter zanemarljiv vpliv na delovanje celic. Ker različni barvni centri oddajajo pri različnih valovnih dolžinah in z značilnimi spektralnimi profili, lahko služijo kot edinstveni optični prstni odtisi. Že kombinacija le nekaj takšnih izvorov na celico omogoča enolično označevanje praktično neomejenega števila celic. Poleg označevanja, kvantna narava enofotоnskega sevanja odpira pot k izboljšanemu zaznavanju in slikanju znotraj bioloških snovi. Poleg enofotоnskih izvorov v disertaciji preučujemo tudi izvore prepletenih fotonskih parov. Ti izvori se tradicionalno zanašajo na nelinearne kristale, ki so togi, težko nastavljivi in po izdelavi nudijo močno omejeno prilagodljivost. Da bi presegli te omejitve, smo se obrnili k mehki snovi: razvili in preučevali smo izvore na osnovi feroelektričnih nematskih tekočih kristalov (FNTK), novo odkritega razreda organskih materialov z izjemno močno notranjo električno polarizacijo in optično nelinearnostjo, kot platformo za generacijo prepletenih fotonskih parov preko spontane parametrične pretvorbe navzdol (angl.: "spontaneous parametric down-conversion" - SPDC). Rezultati, predstavljeni v tem delu, zaznamujejo prvo demonstracijo generacije fotonskih parov preko SPDC v organski snovi. Z usmerjanjem molekul tekočega kristala s pomočjo geometrije vzorca ali zunanjega električnega polja je mogoče nadzorovati intenziteto, polarizacijsko stanje in stopnjo prepletenosti generiranih fotonskih parov — raven nastavljivosti, ki v konvencionalnih virih v trdni snovi ni dosegljiva. Poleg tega smo pokazali, da kiralni FNTK s samourejeno vijačno strukturo omogočajo še učinkovitejšo generacijo fotonskih parov, primerljivo ali celo višjo kot pri najboljših virih v trdni snovi. Z uvedbo prilagodljivih, učinkovitih in nastavljivih kvantnih svetlobnih izvorov z zmogljivostmi, ki presegajo konvencionalne vire, to delo odpira nove smeri v kvantni optiki in s tem povezanih tehnologijah.

• Ključne besede: kvantna optika, posamezni fotoni, fotonski pari, prepletenost, spontana parametrična pretvorba navzdol, tekoči kristali, nastavljivi viri, heksagonalni borov nitrid, označevanje celic