Il dispositivo su nanoscala produce un flusso di singoli fotoni chirali – Physics World

Un nuovo dispositivo su scala nanometrica basato su pile di materiali bidimensionali non solo può generare un flusso di singoli fotoni ma può anche controllarne la chiralità, o polarizzazione circolare, senza la necessità di un campo magnetico applicato. Poiché manipolare lo stato di polarizzazione di un fotone è un modo per codificare le informazioni al suo interno, questo progresso potrebbe essere importante per le tecnologie quantistiche, secondo i ricercatori del Los Alamos National Laboratory negli Stati Uniti che lo hanno sviluppato.

Fino ad ora, la polarizzazione circolare di un flusso di singolo fotone era possibile solo accoppiando emettitori quantistici a complicati dispositivi fotonici o elettronici su scala nanometrica o applicando elevati campi magnetici a questi emettitori tramite ingombranti magneti superconduttori. Nel nuovo lavoro, un team guidato dal fisico Han Htoon impilato uno strato spesso una singola molecola di un materiale semiconduttore, il diseleniuro di tungsteno (WSe₂), sopra un sottile strato di un cristallo magnetico, trisolfuro di nichel e fosforo (NiPS₃). I ricercatori hanno poi realizzato delle rientranze nella pila eterostruttura che misuravano appena 400 nm di diametro.

Ottenere le rientranze giuste

“Dalle rientranze otteniamo due effetti molto utili”, spiega Htoon. “In primo luogo, le rientranze creano un 'pozzo' o depressione nel panorama energetico potenziale del materiale che confina le coppie elettrone-lacuna (eccitoni) all'interno del WSe₂ strato. “Questi eccitoni, in uno stato quantistico, sono in grado di emettere un flusso di singolo fotone dopo eccitazione con luce laser. In secondo luogo, le rientranze interrompono anche le proprietà magnetiche del NiPS sottostante₃, creando così un momento magnetico locale che punta fuori dall’eterostruttura”.

La combinazione di questo momento magnetico e dell’“effetto di prossimità” dello stato quantistico è ciò che crea i fotoni polarizzati circolarmente, spiega Mondo della fisica, ma farlo bene non è stato facile. “NiPS₃ è un semiconduttore antiferromagnetico e gli spin delle sue file di ioni Ni portano tipicamente all’annullamento dei suoi momenti magnetici”, spiega. “I nostri esperimenti iniziali sono stati deludenti a causa di questo effetto”.

Xiangzhi Li, le Los Alamos Il ricercatore post-dottorato che ha condotto l'esperimento, ha quindi eseguito nuovamente le misurazioni, questa volta utilizzando la punta di un microscopio a forza atomica per creare le rientranze su scala nanometrica negli strati impilati. "Questo aggiustamento ha creato quello che crediamo sia l'effetto più forte mai prodotto dai singoli fotoni polarizzati circolarmente", afferma Htoon. “Siamo rimasti sorpresi e abbiamo condotto una serie di esperimenti controllati per confermare i nostri risultati”.

Il rilevamento chirale delle molecole viene potenziato grazie al laser

Poiché le informazioni possono essere codificate nella polarizzazione dei fotoni, questo progresso potrebbe avere applicazioni nelle comunicazioni quantistiche, inclusa la crittografia quantistica e l’informatica quantistica, afferma il team. "Potremmo anche essere in grado di creare un Internet quantistico ultra-sicuro perché, se siamo in grado di accoppiare il flusso di fotoni in guide d'onda (condotti di luce), potremmo fabbricare circuiti fotonici che controllano la direzione della propagazione dei fotoni." spiega Htoon.

I ricercatori stanno ora cercando il modo migliore per modulare il grado di polarizzazione circolare del flusso di singoli fotoni utilizzando metodi ottici, elettrici o a microonde. Riportano il loro lavoro attuale in Nature Materials.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/nanoscale-device-produces-a-stream-of-chiral-single-photons/