En elektrisk trigger udløser single, identiske fotoner

Sikre telekommunikationsnetværk og hurtig informationsbehandling gør meget af det moderne liv muligt. For at give mere sikkerhed, hurtigere, og informationsdeling med højere ydeevne, end det er muligt i øjeblikket, forskere og ingeniører designer næste generations enheder, der udnytter reglerne for kvantefysik. Disse designs er afhængige af enkeltfotoner til at kode og transmittere information på tværs af kvantenetværk og mellem kvantechips. Imidlertid, værktøjer til generering af enkeltfotoner tilbyder endnu ikke den præcision og stabilitet, der kræves for kvanteinformationsteknologi.

Nu, som for nylig rapporteret i journalen Videnskab fremskridt , forskere har fundet en måde at generere single, identiske fotoner på forespørgsel. Ved at placere en metallisk sonde over et bestemt punkt i et almindeligt 2-D halvledermateriale, teamet ledet af forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udløst en fotonemission elektrisk. Fotonens egenskaber kan ganske enkelt justeres ved at ændre den påførte spænding.

"Demonstrationen af ​​elektrisk drevet enkelt-fotonemission på et præcist tidspunkt udgør et stort skridt i jagten på integrerbare kvanteteknologier, sagde Alex Weber-Bargioni, en personaleforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, der ledede projektet. Forskningen er en del af Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), et Energy Frontier Research Center sponsoreret af Department of Energy, hvis overordnede mål er at finde nye metoder til beskyttelse og kontrol af kvantehukommelse, der kan give ny indsigt i nye materialer og designs til kvanteberegningsteknologi.

Fotoner er en af ​​de mest robuste bærere af kvanteinformation og kan rejse lange afstande uden at miste deres hukommelse, eller såkaldt sammenhæng. Til dato, mest etablerede ordninger for sikker kommunikationsoverførsel, der vil drive storskala kvantekommunikation, kræver, at lyskilder genererer en foton ad gangen. Hver foton skal have en præcist defineret bølgelængde og orientering. Den nye fotonemitter demonstreret på Berkeley Lab opnår denne kontrol og præcision. Det kunne bruges til at overføre information mellem kvanteprocessorer på forskellige chips, og i sidste ende skaleret op til større processorer og et fremtidigt kvanteinternet, der forbinder sofistikerede computere rundt om i verden.

Fotonemitteren er baseret på et almindeligt 2-D halvledermateriale (wolframdisulfid, WS ₂ ), som har et svovlatom fjernet fra sin krystalstruktur. Den omhyggeligt placerede atomfejl, eller defekt, fungerer som et punkt, hvor foton kan genereres ved anvendelse af en elektrisk strøm.

Udfordringen er ikke, hvordan man genererer enkeltfotoner, men hvordan man gør dem virkelig identiske og producerer dem efter behov. Fotonemitterende enheder, som halvleder -nanopartikler eller 'kvanteprikker', der lyser QLED -tv'er, der er fremstillet ved litografi er underlagt iboende variation, da intet mønsterbaseret system kan være identisk ned til et enkelt atom. Forskere, der arbejder med Weber-Bargioni, tog en anden tilgang ved at dyrke et tyndfilmsmateriale på et ark grafen. Eventuelle urenheder, der indføres i tyndfilmets atomstruktur, gentages og er identiske i hele prøven. Gennem simuleringer og eksperimenter, holdet bestemte lige, hvor de skulle introducere en ufuldkommenhed til den ellers ensartede struktur. Derefter, ved at anvende en elektrisk kontakt til det sted, de var i stand til at udløse materialet til at udsende en foton og styre dets energi med den påførte spænding. Denne foton er derefter tilgængelig for at transportere information til et fjernt sted.

"Enkelfotonemittere er som en terminal, hvor omhyggeligt forberedt, men skrøbelig kvanteinformation sendes på en rejse ind i et lynhurtigt, robust kasse, "sagde Bruno Schuler, en postdoktor ved Molecular Foundry (nu forsker ved Empa - de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi) og hovedforfatter af værket.

Nøglen til eksperimentet er den guldbelagte spids af et scannende tunnelmikroskop, der kan placeres nøjagtigt over defektstedet i tyndfilmsmaterialet. Når der påføres en spænding mellem probespidsen og prøven, spidsen injicerer en elektron i defekten. Når elektronen bevæger sig eller tunneller fra probespidsen, en veldefineret del af dens energi bliver omdannet til en enkelt foton. Endelig, probespidsen fungerer som en antenne, der hjælper med at lede den udsendte foton til en optisk detektor, der registrerer dens bølgelængde og position.

Ved at kortlægge de fotoner, der udsendes fra tynde film, der skal have forskellige defekter, forskerne var i stand til at fastslå sammenhængen mellem den injicerede elektron, lokal atomstruktur, og den udsendte foton. Som regel, den optiske opløsning på et sådant kort er begrænset til et par hundrede nanometer. Takket være ekstremt lokaliseret elektronindsprøjtning, kombineret med state-of-the-art mikroskopi værktøjer, Berkeley Lab -teamet kunne bestemme, hvor i materialet en foton opstod med en opløsning under 1 ångstrøm, omkring diameteren af ​​et enkelt atom. De detaljerede fotonkort var afgørende for at lokalisere og forstå den elektronudløste fotonemissionsmekanisme.

"Med hensyn til teknik, dette arbejde har været et stort gennembrud, fordi vi kan kortlægge lysemission fra en enkelt defekt med sub-nanometeropløsning. Vi visualiserer lysemission med atomopløsning, "sagde Katherine Cochrane, en postdoktor ved Molecular Foundry og en hovedforfatter på papiret.

Definition af enkeltfoton lyskilder i todimensionale materialer med atompræcision giver en hidtil uset indsigt kritisk for at forstå, hvordan disse kilder fungerer, og giver en strategi til at oprette grupper af helt identiske. Værket er en del af NPQC's fokus på at udforske nye kvantefænomener i ikke-homogene 2-D-materialer.

To-dimensionelle materialer fører an som en stærk platform for næste generations fotonemittere. De tynde film er fleksible og let integrerede med andre strukturer, og giver nu en systematisk måde til at indføre enestående kontrol over fotonemission. Baseret på de nye resultater, forskerne planlægger at arbejde med at anvende nyt materiale til brug som fotonkilder i kvantenetværk og kvantesimuleringer.