Quantum lyskilder baner vejen for optiske kredsløb

Et internationalt team ledet af Alexander Holleitner og Jonathan Finley, fysikere ved det tekniske universitet i München (TUM), er det lykkedes at placere lyskilder i atomtynde materialelag med en nøjagtighed på blot et par nanometer. Den nye metode giver mulighed for en lang række applikationer inden for kvanteteknologier, fra kvantesensorer og transistorer i smartphones til nye krypteringsteknologier til datatransmission.

Tidligere kredsløb på chips er afhængige af elektroner som informationsbærere. I fremtiden, fotoner, der transmitterer information med lysets hastighed, vil kunne påtage sig denne opgave i optiske kredsløb. Quantum lyskilder, som derefter forbindes med kvantefibreoptiske kabler og detektorer er nødvendige som grundlæggende byggesten til sådanne nye chips.

Et internationalt team under ledelse af TUM -fysikere Alexander Holleitner og Jonathan Finley er nu lykkedes med at skabe sådanne kvante lyskilder i atomtynde materialelag og placere dem med nanometer nøjagtighed.

Første skridt mod optiske kvantecomputere

"Dette udgør et første vigtigt skridt i retning af optiske kvantecomputere, "siger Julian Klein, hovedforfatter til undersøgelsen. "Fordi lyskilderne til fremtidige applikationer skal kobles med fotonkredsløb, bølgeledere f.eks. for at muliggøre lysbaserede kvanteberegninger. "

Det kritiske punkt her er den nøjagtige og præcist kontrollerbare placering af lyskilderne. Det er muligt at oprette kvante lyskilder i konventionelle tredimensionelle materialer, såsom diamant eller silicium, men de kan ikke præcist placeres i disse materialer.

Deterministiske defekter

Fysikerne brugte derefter et lag af halvleder molybdendisulfid (MoS ₂ ) som udgangsmateriale kun tre atomer tykke. De bestrålede dette med en heliumionstråle, som de fokuserede på et overfladeareal på mindre end et nanometer.

For at generere optisk aktive defekter, de ønskede kvante lyskilder, molybdæn eller svovlatomer hamres præcist ud af laget. Ufuldkommenhederne er fælder for såkaldte excitoner, elektronhullepar, som derefter udsender de ønskede fotoner.

Teknisk set, det nye heliumionmikroskop ved Walter Schottky Instituts Center for Nanoteknologi og Nanomaterialer, som kan bruges til at bestråle sådant materiale med en sideløsning uden sidestykke, var af central betydning for dette.

På vej mod nye lyskilder

Sammen med teoretikere på TUM, Max Planck Society, og universitetet i Bremen, teamet udviklede en model, der også beskriver de energistater, der observeres ved ufuldkommenhederne i teorien.

I fremtiden, forskerne ønsker også at skabe mere komplekse lyskildemønstre, i laterale todimensionale gitterstrukturer f.eks. for dermed også at undersøge multi-exciton-fænomener eller eksotiske materialegenskaber.

Dette er den eksperimentelle port til en verden, som længe kun er blevet beskrevet i teorien inden for rammerne af den såkaldte Bose-Hubbard-model, der søger at redegøre for komplekse processer i faste stoffer.

Kvantesensorer, transistorer og sikker kryptering

Og der kan være fremskridt ikke kun i teorien, men også med hensyn til mulig teknologisk udvikling. Da lyskilderne altid har den samme underliggende defekt i materialet, de kan teoretisk ikke skelnes. Dette giver mulighed for applikationer, der er baseret på det kvantemekaniske princip om sammenfiltring.

"Det er muligt at integrere vores kvante lyskilder meget elegant i foton kredsløb, "siger Klein." På grund af den høje følsomhed, for eksempel, det er muligt at bygge kvantesensorer til smartphones og udvikle ekstremt sikre krypteringsteknologier til datatransmission. "