LANL: Neues Quantengerät erzeugt einzelne Photonen und kodiert Informationen

Die chiralen Quantenlichtemissionen werden in Vertiefungen gebildet, die in den Stapel aus zwei verschiedenen Schichtmaterialien, einem einschichtigen Halbleiter und einem antiferromagnetischen Kristall, eingekerbt sind. Sie steigen aus dem Material auf und könnten für Quanteninformations- und Kommunikationsanwendungen verwendet werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von LANL

LANL-NEWSVERÖFFENTLICHUNGEin neuer Ansatz für Quantenlichtemitter erzeugt einen Strom zirkular polarisierter Einzelphotonen oder Lichtteilchen, der für eine Reihe von Quanteninformations- und Kommunikationsanwendungen nützlich sein kann. Ein Team des Los Alamos National Laboratory stapelte zwei verschiedene atomar dünne Materialien, um diese chirale Quantenlichtquelle zu realisieren.

„Unsere Forschung zeigt, dass es einem einschichtigen Halbleiter möglich ist, ohne die Hilfe eines externen Magnetfelds zirkular polarisiertes Licht zu emittieren“, sagte Han Htoon, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory. „Dieser Effekt wurde bisher nur mit hohen Magnetfeldern erreicht, die durch sperrige supraleitende Magnete erzeugt wurden, durch die Kopplung von Quantenemittern an sehr komplexe photonische Strukturen im Nanomaßstab oder durch die Injektion spinpolarisierter Ladungsträger in Quantenemitter.“ Unser Proximity-Effekt-Ansatz bietet den Vorteil einer kostengünstigen Herstellung und Zuverlässigkeit.

„Der Polarisationszustand ist ein Mittel zur Kodierung des Photons, daher ist diese Errungenschaft ein wichtiger Schritt in Richtung Quantenkryptographie oder Quantenkommunikation.“ Mit einer Quelle zur Erzeugung eines Stroms einzelner Photonen und zur Einführung der Polarisation haben wir im Wesentlichen zwei Geräte in einem kombiniert“, sagte Htoon.

Wie in „Nature Materials“ beschrieben, arbeitete das Forschungsteam am Center for Integrated Nanotechnologies daran, eine einzelmoleküldicke Schicht aus Wolframdiselenid-Halbleiter auf eine dickere Schicht aus magnetischem Nickel-Phosphor-Trisulfid-Halbleiter zu stapeln. Xiangzhi Li, wissenschaftlicher Postdoktorand, nutzte Rasterkraftmikroskopie, um eine Reihe nanometergroßer Vertiefungen auf dem dünnen Materialstapel zu erzeugen. Die Vertiefungen haben einen Durchmesser von etwa 400 Nanometern, so dass problemlos über 200 solcher Vertiefungen über die Breite eines menschlichen Haares passen.

Die mit dem Atommikroskopie-Werkzeug erzeugten Vertiefungen erwiesen sich für zwei Effekte als nützlich, als ein Laser auf den Materialstapel fokussiert wurde. Erstens bildet die Vertiefung eine Vertiefung oder Vertiefung in der potenziellen Energielandschaft. Elektronen der Wolframdiselenid-Monoschicht fallen in die Vertiefung. Dadurch wird die Emission eines Stroms einzelner Photonen aus dem Bohrloch angeregt.

Die Nanoeinkerbung stört auch die typischen magnetischen Eigenschaften des darunter liegenden Nickel-Phosphor-Trisulfid-Kristalls und erzeugt ein lokales magnetisches Moment, das aus den Materialien herausragt. Dieses magnetische Moment polarisiert die emittierten Photonen zirkular. Um diesen Mechanismus experimentell zu bestätigen, führte das Team zunächst in Zusammenarbeit mit der Pulsed Field Facility des National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos Experimente zur optischen Spektroskopie bei hohem Magnetfeld durch. Anschließend maß das Team in Zusammenarbeit mit der Universität Basel in der Schweiz das winzige Magnetfeld der lokalen magnetischen Momente. Die Experimente bewiesen, dass das Team erfolgreich einen neuartigen Ansatz zur Steuerung des Polarisationszustands eines einzelnen Photonenstroms demonstriert hatte.

Das Team erforscht derzeit Möglichkeiten, den Grad der Zirkularpolarisation der einzelnen Photonen durch die Anwendung elektrischer oder Mikrowellenreize zu modulieren. Diese Fähigkeit würde eine Möglichkeit bieten, Quanteninformationen in den Photonenstrom zu kodieren. Eine weitere Einkopplung des Photonenstroms in Wellenleiter – mikroskopisch kleine Lichtleiter – würde die photonischen Schaltkreise schaffen, die die Ausbreitung von Photonen in eine Richtung ermöglichen. Solche Schaltkreise wären die Grundbausteine ​​eines hochsicheren Quanteninternets.

Papier: „Näherungsinduzierte chirale Quantenlichterzeugung in spannungstechnisch veränderten WSe2/NiPS3-Heterostrukturen.“ Naturmaterialien.

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7

Finanzierung: Programm für laborgesteuerte Forschung und Entwicklung (LDRD) am Los Alamos National Laboratory; das US-Energieministerium, Basic Energy Sciences, QIS Infrastructure Development Program; und das Quantum Science Center, ein nationales QIS-Forschungszentrum, das vom DOE Office of Science unterstützt wird.

Alle Beiträge von Los Alamos Reporter anzeigen