LANL: новое квантовое устройство генерирует одиночные фотоны и кодирует информацию

Киральное квантовое световое излучение, образующееся внутри ям, врезанных в стопку двух разных слоистых материалов, однослойного полупроводника и антиферромагнитного кристалла, поднимается вверх из материала и может быть использовано для квантовых информационных и коммуникационных приложений. Фото предоставлено LANL

РЕЛИЗ НОВОСТЕЙ LANL Новый подход к квантовым излучателям света генерирует поток одиночных фотонов с круговой поляризацией или частиц света, которые могут быть полезны для ряда квантовых информационных и коммуникационных приложений. Команда Лос-Аламосской национальной лаборатории соединила два разных атомно тонких материала, чтобы реализовать этот киральный квантовый источник света.

«Наши исследования показывают, что монослойный полупроводник может излучать свет с круговой поляризацией без помощи внешнего магнитного поля», — сказал Хан Хтун, ученый из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. «Раньше этот эффект достигался только с помощью сильных магнитных полей, создаваемых громоздкими сверхпроводящими магнитами, путем соединения квантовых эмиттеров с очень сложными наноразмерными фотонными структурами или путем введения спин-поляризованных носителей в квантовые эмиттеры. Наш подход на основе эффекта близости имеет преимущество низкой стоимости изготовления и надежности.

«Состояние поляризации — это средство кодирования фотона, поэтому это достижение — важный шаг в направлении квантовой криптографии или квантовой связи. Имея источник для генерации потока одиночных фотонов и создания поляризации, мы, по сути, объединили два устройства в одном», — сказал Хтун.

Как описано в Nature Materials, исследовательская группа работала в Центре интегрированных нанотехнологий над укладкой слоя полупроводника диселенида вольфрама толщиной в одну молекулу на более толстый слой магнитного полупроводника трисульфида никеля и фосфора. Сянчжи Ли, научный сотрудник, постдокторант, использовал атомно-силовую микроскопию для создания серии углублений нанометрового размера на тонкой стопке материалов. Диаметр углублений составляет около 400 нанометров, поэтому более 200 таких углублений легко умещаются на ширине человеческого волоса.

Отпечатки, созданные инструментом атомной микроскопии, оказались полезными для двух эффектов, когда лазер был сфокусирован на стопке материалов. Во-первых, углубление образует колодец или впадину в потенциальном энергетическом ландшафте. Электроны монослоя диселенида вольфрама попадают в депрессию. Это стимулирует испускание потока одиночных фотонов из ямы.

Наноиндентирование также нарушает типичные магнитные свойства лежащего в основе кристалла трисульфида никеля и фосфора, создавая локальный магнитный момент, направленный вверх из материалов. Этот магнитный момент циркулярно поляризует излучаемые фотоны. Чтобы обеспечить экспериментальное подтверждение этого механизма, команда сначала провела эксперименты по оптической спектроскопии в сильных магнитных полях в сотрудничестве с Центром импульсного поля Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Лос-Аламосе. Затем команда измерила минутное магнитное поле местных магнитных моментов в сотрудничестве с Базельским университетом в Швейцарии. Эксперименты доказали, что команда успешно продемонстрировала новый подход к управлению состоянием поляризации потока одиночных фотонов.

В настоящее время команда изучает способы модуляции степени круговой поляризации одиночных фотонов с применением электрических или микроволновых стимулов. Эта возможность позволит закодировать квантовую информацию в поток фотонов. Дальнейшее соединение потока фотонов с волноводами — микроскопическими проводниками света — создаст фотонные цепи, которые позволят фотонам распространяться в одном направлении. Такие схемы станут фундаментальными строительными блоками сверхбезопасного квантового Интернета.

Бумага: «Генерация кирального квантового света, индуцированная близостью, в деформационно-инженерных гетероструктурах WSe2/NiPS3». Природные материалы.

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7