Nature Materials: Разработан новый подход к созданию квантовых излучателей

Новый подход к созданию квантовых излучателей света позволяет генерировать поток циркулярно поляризованных одиночных фотонов, или частиц света, которые могут быть полезны для ряда приложений в области квантовой информации и связи.

Группа специалистов Лос-Аламосской национальной лаборатории соединила два различных, атомарно тонких материала, чтобы реализовать этот хиральный квантовый источник света.

Наше исследование показывает, что монослойный полупроводник может излучать циркулярно поляризованный свет без помощи внешнего магнитного поля, — говорит Хан Хтун, ученый из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Ранее этот эффект достигался только с помощью высоких магнитных полей, создаваемых громоздкими сверхпроводящими магнитами, путем соединения квантовых излучателей с очень сложными наноразмерными фотонными структурами или путем инжекции спин-поляризованных носителей в квантовые излучатели. Преимущество нашего подхода, основанного на эффекте близости, заключается в дешевизне изготовления и надежности.

Состояние поляризации является средством кодирования фотона, поэтому данное достижение является важным шагом в направлении квантовой криптографии или квантовой связи.

Имея источник, позволяющий генерировать поток одиночных фотонов, а также вводить поляризацию, мы, по сути, объединили два устройства в одном, — сказал Хтун.

Индентирование — ключ к фотолюминесценции

Как описано в журнале 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 фосфора никеля. Сянчжи Ли (Xiangzhi Li), постдокторский научный сотрудник, использовал атомно-силовую микроскопию для создания серии вмятин нанометрового размера на тонком слое материалов. Диаметр углублений составляет около 400 нанометров, поэтому более 200 таких углублений можно легко разместить на ширине человеческого волоса.

Углубления, созданные инструментом атомной микроскопии, оказались полезными для двух эффектов, когда на стопку материалов был направлен лазер. Во-первых, углубление образует лунку, или впадину, в ландшафте потенциальной энергии. Электроны монослоя диселенида вольфрама попадают в эту впадину. Это стимулирует излучение потока одиночных фотонов из лунки.

Наноиндентирование также нарушает типичные магнитные свойства подстилающего кристалла трисульфида фосфора никеля, создавая локальный магнитный момент, направленный вверх из материала. Этот магнитный момент циркулярно поляризует излучаемые фотоны. Для экспериментального подтверждения этого механизма команда сначала провела эксперименты по оптической спектроскопии в высоком магнитном поле в сотрудничестве с лабораторией импульсных полей National High Magnetic Field Laboratory в Лос-Аламосе. Затем команда измерила минутное магнитное поле локальных магнитных моментов в сотрудничестве с Базельским университетом (Швейцария).

Эксперименты показали, что группа успешно продемонстрировала новый подход к управлению состоянием поляризации потока одиночных фотонов.

Кодирование квантовой информации

В настоящее время группа исследует возможности модуляции степени круговой поляризации одиночных фотонов с помощью электрических или микроволновых стимулов. Это позволит кодировать квантовую информацию в потоке фотонов.

Дальнейшее соединение фотонного потока с волноводами — микроскопическими световодами — позволит создать фотонные схемы, обеспечивающие распространение фотонов в одном направлении. Такие схемы станут основой для создания сверхбезопасного квантового Интернета.

24.08.2023