LANL: Novo dispositivo quântico gera fótons únicos e codifica informações

Formadas dentro de poços recortados na pilha de dois materiais em camadas diferentes, um semicondutor monocamada e um cristal antiferromagnético, as emissões de luz quântica quiral emergem do material e podem ser usadas para aplicações de informação e comunicação quântica. Foto cortesia LANL

LANL NEWS RELEASEA nova abordagem para emissores de luz quântica gera um fluxo de fótons únicos polarizados circularmente, ou partículas de luz, que podem ser úteis para uma variedade de aplicações de informação e comunicação quântica. Uma equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos empilhou dois materiais atomicamente finos diferentes para criar esta fonte de luz quântica quiral.

“Nossa pesquisa mostra que é possível que um semicondutor monocamada emita luz circularmente polarizada sem a ajuda de um campo magnético externo”, disse Han Htoon, cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos. “Este efeito só foi alcançado antes com campos magnéticos elevados criados por ímãs supercondutores volumosos, acoplando emissores quânticos a estruturas fotônicas em nanoescala muito complexas ou injetando portadores polarizados por spin em emissores quânticos. Nossa abordagem de efeito de proximidade tem a vantagem de fabricação e confiabilidade de baixo custo.

“O estado de polarização é um meio de codificar o fóton, portanto, essa conquista é um passo importante na direção da criptografia quântica ou da comunicação quântica. Com uma fonte para gerar um fluxo de fótons únicos e também introduzir polarização, combinamos essencialmente dois dispositivos em um”, disse Htoon.

Conforme descrito em Nature Materials, a equipe de pesquisa trabalhou no Centro de Nanotecnologias Integradas para empilhar uma camada de semicondutor de disseleneto de tungstênio com a espessura de uma única molécula em uma camada mais espessa de semicondutor magnético de trissulfeto de níquel e fósforo. Xiangzhi Li, pesquisador associado de pós-doutorado, usou microscopia de força atômica para criar uma série de recortes em escala nanométrica na fina pilha de materiais. As reentrâncias têm aproximadamente 400 nanômetros de diâmetro, portanto, mais de 200 dessas reentrâncias podem caber facilmente na largura de um fio de cabelo humano.

Os recortes criados pela ferramenta de microscopia atômica provaram ser úteis para dois efeitos quando um laser foi focado na pilha de materiais. Primeiro, a reentrância forma um poço, ou depressão, na paisagem energética potencial. Os elétrons da monocamada de disseleneto de tungstênio caem na depressão. Isso estimula a emissão de um fluxo de fótons únicos do poço.

A nanoindentação também perturba as propriedades magnéticas típicas do cristal trissulfeto de níquel e fósforo subjacente, criando um momento magnético local apontando para fora dos materiais. Esse momento magnético polariza circularmente os fótons emitidos. Para fornecer a confirmação experimental deste mecanismo, a equipe primeiro realizou experimentos de espectroscopia óptica de alto campo magnético em colaboração com o Pulsed Field Facility do Laboratório Nacional de Campo Magnético em Los Alamos. A equipe mediu então o campo magnético diminuto dos momentos magnéticos locais em colaboração com a Universidade de Basileia, na Suíça. Os experimentos provaram que a equipe demonstrou com sucesso uma nova abordagem para controlar o estado de polarização de um único fluxo de fótons.

A equipe está atualmente explorando maneiras de modular o grau de polarização circular dos fótons individuais com a aplicação de estímulos elétricos ou de micro-ondas. Essa capacidade ofereceria uma maneira de codificar informações quânticas no fluxo de fótons. O acoplamento adicional do fluxo de fótons em guias de ondas – conduítes microscópicos de luz – forneceria os circuitos fotônicos que permitiriam a propagação de fótons em uma direção. Esses circuitos seriam os blocos de construção fundamentais de uma Internet quântica ultrassegura.

Papel: “Geração de luz quântica quiral induzida por proximidade em heteroestruturas WSe2 / NiPS3 projetadas por deformação.” Materiais da Natureza.

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7