Enhet i nanoskala produserer en strøm av kirale enkeltfotoner – Physics World

Enhet i nanoskala produserer en strøm av kirale enkeltfotoner – Physics World

Tidsstempel: 6. oktober 2023 11:00
Kilde node: 2922338

Kunstnerens inntrykk av tolagsmaterialet med fordypninger som lyser oransje og rosa
Formet i brønner innrykket i stabelen av to forskjellige lagdelte materialer (en monolags halvleder og en anti-ferromagnetisk krystall), stiger de kirale kvantelysutslippene opp av materialet og kan brukes til kvanteinformasjons- og kommunikasjonsapplikasjoner. (Med tillatelse: Los Alamos National Laboratory)

En ny enhet i nanoskala basert på stabler av todimensjonale materialer kan ikke bare generere en strøm av enkeltfotoner, men kan også kontrollere deres chiralitet, eller sirkulære polarisering, uten behov for et påført magnetfelt. Siden manipulering av et fotons polarisasjonstilstand er en måte å kode informasjon i den på, kan fremskrittet være viktig for kvanteteknologier, ifølge forskerne ved Los Alamos National Laboratory i USA som utviklet det.

Inntil nå var sirkulær polarisering av en enkeltfotonstrøm bare mulig ved å koble kvantemittere til kompliserte fotoniske eller elektroniske enheter på nanoskala eller ved å påføre høye magnetiske felt på disse emitterne via klumpete superledende magneter. I det nye arbeidet, et team ledet av fysiker Han Htoon stablet et enkeltmolekyl-tykt lag av et halvledende materiale, wolframdiselenid (WSe2), på toppen av et tynt lag av en magnetisk krystall, nikkelfosfortrisulfid (NiPS3). Forskerne gjorde deretter fordypninger i heterostrukturstabelen som målte bare 400 nm på tvers.

Å få riktige innrykk

"Vi får to veldig nyttige effekter fra fordypningene," forklarer Htoon. "For det første skaper fordypningene en 'brønn' eller fordypning i det potensielle energilandskapet til materialet som begrenser elektron-hull-par (eksitoner) i WSe2 lag. "Disse eksitonene, i en kvantetilstand, er i stand til å sende ut en enkeltfotonstrøm ved eksitasjon med laserlys. For det andre forstyrrer fordypningene også de magnetiske egenskapene til den underliggende NiPS3, og skaper dermed et lokalt magnetisk øyeblikk som peker opp fra heterostrukturen.»

Kombinasjonen av dette magnetiske momentet og "nærhetseffekten" av kvantetilstanden er det som skaper de sirkulært polariserte fotonene, forteller han Fysikkens verden, men å få det riktig var ikke lett. "NiPS3 er en antiferromagnetisk halvleder, og spinnene i rekkene med Ni-ioner fører vanligvis til at magnetiske momenter kansellerer ut,» forklarer han. "Våre første eksperimenter var skuffende på grunn av denne effekten."

Xiangzhi Liden Los Alamos postdoktor som ledet eksperimentet, utførte derfor målingene på nytt, denne gangen ved å bruke tuppen av et atomkraftmikroskop for å lage fordypningene i nanoskala i de stablede lagene. "Denne justeringen skapte det vi tror er den sterkeste effekten av sirkulært polariserte enkeltfotoner til nå," sier Htoon. "Vi ble overrasket og gjennomførte en serie kontrollerte eksperimenter for å bekrefte funnene våre."

Siden informasjon kan kodes i polariseringen av fotoner, kan fremskrittet ha applikasjoner innen kvantekommunikasjon, inkludert kvantekryptografi og kvanteberegning, sier teamet. "Vi kan til og med være i stand til å lage et ultrasikkert kvanteinternett fordi hvis vi er i stand til å koble fotonstrømmen til bølgeledere (lysrør), kan vi lage fotoniske kretser som kontrollerer retningen til fotonenes forplantning," forklarer Htoon.

Forskerne leter nå etter den beste måten å modulere graden av sirkulær polarisering av enkeltfotonstrømmen ved hjelp av optiske, elektriske eller mikrobølgemetoder. De rapporterer sitt nåværende arbeid i Nature Materials.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkverden