Новый «вмятинный» композит может «крутить» фотоны по требованию

Лос-Аламосская национальная лаборатория

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса успешно разработали новый способ производства фотонов определенного типа, который может оказаться критически важным для квантового обмена данными, в частности для шифрования. Особый вид фотонов, называемый «круговым поляризованным светом», до сих пор сложно создавать и контролировать, но новая технология делает этот процесс проще и, что немаловажно, дешевле. Команда объясняет, что это было достигнуто путем соединения двух разных атомно тонких материалов для «скручивания» (поляризации) фотонов предсказуемым образом.

«Наши исследования показывают, что монослойный полупроводник может излучать свет с круговой поляризацией без помощи внешнего магнитного поля», — объяснил 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», — добавил он.

Состояние поляризации эффективно «кодирует» генерируемые фотоны, что делает это решающим шагом для квантовой криптографии и связи. «Благодаря источнику для генерации потока одиночных фотонов и создания поляризации мы, по сути, объединили два устройства в одном», — сказал Хтун.

Чтобы добиться этого, исследовательская группа Центра интегрированных нанотехнологий использовала атомно-силовую микроскопию для создания серии углублений нанометрового размера или «вмятин» на стопке материалов. Пакет состоял из слоя полупроводника на основе диселенида вольфрама толщиной в одну молекулу, наложенного на более толстый слой магнитного полупроводника на основе трисульфида никеля и фосфора. Каждое из сделанных углублений диаметром примерно 400 нанометров поместилось бы более 200 по ширине человеческого волоса.

Затем исследователи обнаружили, что «вмятины» заставляют диселенид вольфрама излучать отдельные частицы света (фотоны). Они также, как выяснилось, изменили магнитные свойства материала дна таким образом, что он придал излучаемым фотонам особый поворот («круговая поляризация»).

Чтобы подтвердить этот механизм, команда провела эксперименты по оптической спектроскопии в Национальной лаборатории сильных магнитных полей и измерила магнитное поле локальных магнитных моментов в Базельском университете. Таким образом, команда успешно продемонстрировала в экспериментах новый метод управления поляризацией однофотонного потока. Весьма впечатляющий подвиг!

В дальнейшем команда изучает способы модуляции степени «круговой поляризации» одиночных фотонов с помощью электрических или микроволновых стимулов, которые теоретически могут кодировать квантовую информацию в поток фотонов. Микроскопические каналы света, называемые волноводами, также могут обеспечить соединение потока фотонов, создавая фотонные цепи. Если это достижимо, эти «схемы» могут стать основой сверхбезопасного квантового Интернета.

Вы можете просмотреть исследование самостоятельно в журнале Nature Materials.

Аннотация исследования:

Квантовые излучатели света, способные генерировать одиночные фотоны с круговой поляризацией и неклассической статистикой, могут стать основой для невзаимных однофотонных устройств и детерминированных спин-фотонных интерфейсов для квантовых сетей. На сегодняшний день излучение такого кирального квантового света основано на применении интенсивных внешних магнитных полей, электрической/оптической инъекции спин-поляризованных носителей/экситонов или взаимодействии со сложными фотонными метаструктурами. Здесь мы сообщаем о создании киральных квантовых излучателей света в свободном пространстве посредством наноиндентирования монослойных гетероструктур WSe2/NiPS3 при нулевом внешнем магнитном поле. Эти квантовые излучатели света излучают с высокой степенью круговой поляризации (0,89) и однофотонной чистотой (95%), независимо от поляризации лазера накачки. Сканирующая азотно-вакансионная микроскопия алмаза и температурно-зависимая магнитофотолюминесценция показывают, что киральное квантовое излучение света возникает в результате магнитных неблизких взаимодействий между локализованными экситонами в монослое WSe2 и внеплоскостного намагничивания дефектов в антиферромагнитном порядке NiPS3, оба из них совместно локализованы полями деформации, связанными с наноразмерными углублениями.