LANL: il nuovo dispositivo quantistico genera singoli fotoni e codifica le informazioni

Formate all’interno di pozzi rientrati nella pila di due diversi materiali stratificati, un semiconduttore monostrato e un cristallo antiferromagnetico, le emissioni di luce quantistica chirale si sollevano dal materiale e potrebbero essere utilizzate per applicazioni di informazione e comunicazione quantistica. Foto per gentile concessione della LANL

COMUNICATO STAMPA LANL Un nuovo approccio agli emettitori di luce quantistica genera un flusso di singoli fotoni polarizzati circolarmente, o particelle di luce, che potrebbero essere utili per una serie di applicazioni di informazione e comunicazione quantistica. Un team del Los Alamos National Laboratory ha impilato due diversi materiali atomicamente sottili per realizzare questa sorgente di luce quantistica chirale.

"La nostra ricerca mostra che è possibile per un semiconduttore monostrato emettere luce polarizzata circolarmente senza l'aiuto di un campo magnetico esterno", ha affermato Han Htoon, scienziato del Los Alamos National Laboratory. “Questo effetto è stato ottenuto in precedenza solo con campi magnetici elevati creati da ingombranti magneti superconduttori, accoppiando emettitori quantistici a strutture fotoniche su scala nanometrica molto complesse o iniettando portatori polarizzati con spin in emettitori quantistici. Il nostro approccio con effetto di prossimità presenta il vantaggio di fabbricazione e affidabilità a basso costo.

“Lo stato di polarizzazione è un mezzo per codificare il fotone, quindi questo risultato è un passo importante nella direzione della crittografia quantistica o della comunicazione quantistica. Con una sorgente in grado di generare un flusso di singoli fotoni e introdurre anche la polarizzazione, abbiamo essenzialmente combinato due dispositivi in ​​uno”, ha affermato Htoon.

Come descritto in Nature Materials, il gruppo di ricerca ha lavorato presso il Center for Integrated Nanotechnologies per impilare uno strato di semiconduttore di diseleniuro di tungsteno spesso una singola molecola su uno strato più spesso di semiconduttore magnetico di trisolfuro di nichel e fosforo. Xiangzhi Li, ricercatore associato post-dottorato, ha utilizzato la microscopia a forza atomica per creare una serie di rientranze su scala nanometrica sulla sottile pila di materiali. Le rientranze hanno un diametro di circa 400 nanometri, quindi oltre 200 di tali rientranze possono facilmente adattarsi alla larghezza di un capello umano.

Le rientranze create dallo strumento di microscopia atomica si sono rivelate utili per due effetti quando un laser è stato focalizzato sulla pila di materiali. In primo luogo, la rientranza forma un pozzo, o depressione, nel potenziale panorama energetico. Gli elettroni del monostrato di diseleniuro di tungsteno cadono nella depressione. Ciò stimola l'emissione di un flusso di singoli fotoni dal pozzo.

La nanoindentazione interrompe anche le proprietà magnetiche tipiche del sottostante cristallo di trisolfuro di nichel e fosforo, creando un momento magnetico locale che punta verso l’alto dai materiali. Quel momento magnetico polarizza circolarmente i fotoni emessi. Per fornire una conferma sperimentale di questo meccanismo, il team ha prima eseguito esperimenti di spettroscopia ottica ad alto campo magnetico in collaborazione con la Pulsed Field Facility del National High Magnetic Field Laboratory a Los Alamos. Il team ha poi misurato il minuscolo campo magnetico dei momenti magnetici locali in collaborazione con l’Università di Basilea in Svizzera. Gli esperimenti hanno dimostrato che il team era riuscito a dimostrare un nuovo approccio per controllare lo stato di polarizzazione di un singolo flusso di fotoni.

Il team sta attualmente esplorando modi per modulare il grado di polarizzazione circolare dei singoli fotoni con l'applicazione di stimoli elettrici o a microonde. Questa capacità offrirebbe un modo per codificare le informazioni quantistiche nel flusso di fotoni. Un ulteriore accoppiamento del flusso di fotoni nelle guide d’onda – microscopici condotti di luce – fornirebbe i circuiti fotonici che consentono la propagazione dei fotoni in una direzione. Tali circuiti sarebbero gli elementi fondamentali di un’Internet quantistica ultra sicura.

Carta: "Generazione di luce quantistica chirale indotta da prossimità in eterostrutture WSe2 / NiPS3 ingegnerizzate con deformazione." Materiali naturali.

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7