Un dispositif à l’échelle nanométrique produit un flux de photons uniques chiraux – Physics World

Un dispositif à l’échelle nanométrique produit un flux de photons uniques chiraux – Physics World

Horodatage: 6 octobre 2023 11h00
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Vue d'artiste du matériau à deux couches avec des empreintes orange et rose brillantes
Formées dans des puits creusés dans l’empilement de deux matériaux en couches différents (un semi-conducteur monocouche et un cristal antiferromagnétique), les émissions de lumière quantique chirale s’élèvent hors du matériau et pourraient être utilisées pour des applications d’information et de communication quantiques. (Autorisation : Laboratoire national de Los Alamos)

Un nouveau dispositif à l’échelle nanométrique basé sur des empilements de matériaux bidimensionnels peut non seulement générer un flux de photons uniques, mais également contrôler leur chiralité, ou polarisation circulaire, sans avoir recours à un champ magnétique appliqué. Puisque la manipulation de l'état de polarisation d'un photon est un moyen d'encoder des informations, cette avancée pourrait être importante pour les technologies quantiques, selon les chercheurs du laboratoire national de Los Alamos aux États-Unis qui l'ont développé.

Jusqu'à présent, la polarisation circulaire d'un flux de photons uniques n'était possible qu'en couplant des émetteurs quantiques à des dispositifs photoniques ou électroniques complexes à l'échelle nanométrique ou en appliquant des champs magnétiques élevés à ces émetteurs via des aimants supraconducteurs volumineux. Dans le nouveau travail, une équipe dirigée par un physicien Han Htoon empilé une couche d'épaisseur d'une seule molécule d'un matériau semi-conducteur, le diséléniure de tungstène (WSe2), au sommet d'une fine couche d'un cristal magnétique, le trisulfure de nickel et de phosphore (NiPS3). Les chercheurs ont ensuite réalisé des indentations dans la pile d’hétérostructure mesurant seulement 400 nm de diamètre.

Obtenir les bonnes indentations

"Nous obtenons deux effets très utiles grâce aux indentations", explique Htoon. « Premièrement, les indentations créent un « puits » ou une dépression dans le paysage énergétique potentiel du matériau qui confine les paires électron-trou (excitons) dans le WSe.2 couche. « Ces excitons, dans un état quantique, sont capables d’émettre un flux de photons uniques lors d’une excitation par la lumière laser. Deuxièmement, les indentations perturbent également les propriétés magnétiques du NiPS sous-jacent.3, créant ainsi un moment magnétique local qui ressort de l’hétérostructure.

La combinaison de ce moment magnétique et de « l’effet de proximité » de l’état quantique est ce qui crée les photons polarisés circulairement, explique-t-il. Monde de la physique, mais y parvenir n’a pas été facile. « NiPS3 est un semi-conducteur antiferromagnétique et les spins de ses rangées d’ions Ni entraînent généralement l’annulation de ses moments magnétiques », explique-t-il. "Nos premières expériences ont été décevantes à cause de cet effet."

Xiangzhi Li, Los Alamos Le chercheur postdoctoral qui a dirigé l’expérience a donc refait les mesures, cette fois en utilisant la pointe d’un microscope à force atomique pour créer des indentations à l’échelle nanométrique dans les couches empilées. "Cet ajustement a créé ce que nous pensons être l'effet le plus puissant jamais produit par des photons uniques à polarisation circulaire", explique Htoon. "Nous avons été surpris et avons mené une série d'expériences contrôlées pour confirmer nos résultats."

Puisque les informations peuvent être codées dans la polarisation des photons, cette avancée pourrait avoir des applications dans les communications quantiques, notamment la cryptographie quantique et l’informatique quantique, selon l’équipe. "Nous pourrions même être en mesure de créer un Internet quantique ultra-sécurisé car, si nous parvenons à coupler le flux de photons dans des guides d'ondes (conduits de lumière), nous pourrions fabriquer des circuits photoniques qui contrôlent la direction de propagation des photons." explique Htoon.

Les chercheurs recherchent désormais le meilleur moyen de moduler le degré de polarisation circulaire du flux de photons uniques en utilisant des méthodes optiques, électriques ou micro-ondes. Ils rapportent leur travail actuel dans Nature Materials.

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