Forskere udvikler direkte-write kvantekalligrafi i monolagshalvledere

Forskere ved U.S.Naval Research Laboratory (NRL) og Air Force Research Laboratory (AFRL) har udviklet en måde til direkte at skrive kvante lyskilder, som udsender en enkelt foton af lys ad gangen, ind i monolagshalvledere såsom wolframdiselenid (WSe2). Single photon emitters (SPE'er), eller kvanteemittere, er nøglekomponenter i en bred vifte af spirende kvantebaserede teknologier, inklusive computere, sikker kommunikation, sansning og metrologi.

I modsætning til konventionelle lysemitterende dioder, der udsender milliarder af fotoner samtidigt for at danne en jævn strøm af lys, en ideel SPE genererer præcis én foton efter behov, hvor hver foton ikke kan skelnes fra en anden. Disse egenskaber er afgørende for fotonbaserede kvanteteknologier under udvikling. Ud over, sådanne kapaciteter bør realiseres i en materialeplatform, som muliggør præcise, gentagelig placering af SPE'er på en fuldt skalerbar måde, der er kompatibel med eksisterende halvlederchipsfremstilling.

NRL-forskere brugte et atomkraftmikroskop (AFM) til at skabe fordybninger eller fordybninger i nanoskala i et enkelt monolag af WSe2 på et polymerfilmsubstrat. Et stærkt lokaliseret stamfelt produceres omkring nano-indrykket, som skaber tilstanden for enkelt fotonemitter i WSe2. Tidskorrelerede målinger udført ved AFRL af denne lysemission bekræftede den sande enkeltfotonnatur af disse tilstande. Disse emittere er lyse, producerer høje mængder af enkeltfotoner, og spektralt stabil, nøglekrav til nye applikationer.

"Denne kvantekalligrafi tillader deterministisk placering og realtidsdesign af vilkårlige mønstre af SPE'er til let kobling med fotoniske bølgeledere, hulrum og plasmoniske strukturer, sagde Berend Jonker, Ph.D., seniorforsker og hovedforsker. "Vores resultater indikerer også, at en nano-imprinting-tilgang vil være effektiv til at skabe store arrays eller mønstre af kvanteemittere til waferskalafremstilling af kvantefotoniske systemer."

Dr. Matthew Rosenberger, hovedforfatter af undersøgelsen, påpeger vigtigheden af ​​denne opdagelse med angivelse af, "Ud over at muliggøre alsidig placering af SPE'er, disse resultater præsenterer en generel metode til at overføre belastning til todimensionelle (2-D) materialer med præcision i nanometerskala, at give et uvurderligt værktøj til yderligere undersøgelser og fremtidige anvendelser af strain engineering af 2-D-enheder."

Resultaterne af denne undersøgelse baner vejen for brugen af ​​2-D-materialer som solid state-værter for enkeltfotonemittere i applikationer, der er relevante for Department of Defense (DoD) mission, såsom sikker kommunikation, sansning og kvanteberegning. Sådanne applikationer muliggør kommunikation mellem fjerne DoD-styrker, som ikke er sårbare over for aflytning eller dekryptering, et væsentligt krav for at sikre krigskæmperens sikkerhed.

Kvanteberegning på en chip giver indbygget mulighed for hurtigt at analysere meget store datasæt erhvervet af sensorarrays, så hele datasættet ikke skal transmitteres, reducering af båndbreddekrav. Forskningsresultaterne rapporteres i januar 2019 ACS Nano .

Forskergruppen omfattede Dr. Matthew Rosenberger, Dr. Hsun-Jen Chuang, Dr. Saujan Sivaram, Dr. Kathleen McCreary, og Dr. Berend Jonker fra NRL Materials Science and Technology Division; og Dr. Chandriker Kavir Dass og Dr. Joshua R. Hendrickson fra AFRL Sensors Directorate. Både Rosenberger og Sivaram har National Research Council (NRC) stipendier ved NRL, og Chuang har et American Society for Engineering Education (ASEE) stipendium ved NRL.