Ein neuer Ansatz für Quantenlichtemitter erzeugt einen Strom zirkular polarisierter Einzelphotonen oder Lichtteilchen, der für eine Reihe von Quanteninformations- und Kommunikationsanwendungen nützlich sein könnte. Ein Team des Los Alamos National Laboratory stapelte zwei verschiedene atomar dünne Materialien, um diese chirale Quantenlichtquelle zu realisieren.
„Unsere Forschung zeigt, dass es einem einschichtigen Halbleiter möglich ist, ohne die Hilfe eines externen Magnetfelds zirkular polarisiertes Licht zu emittieren“, sagte Han Htoon, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory.
„Dieser Effekt wurde bisher nur mit hohen Magnetfeldern erreicht, die durch sperrige supraleitende Magnete erzeugt wurden, durch die Kopplung von Quantenemittern an sehr komplexe nanoskalige photonische Strukturen oder durch die Injektion spinpolarisierter Ladungsträger in Quantenemitter. Unser Proximity-Effekt-Ansatz hat den Vorteil, dass Herstellungskosten und Zuverlässigkeit.“
Der Polarisationszustand ist ein Mittel zur Kodierung des Photons, daher ist diese Errungenschaft ein wichtiger Schritt in Richtung Quantenkryptographie oder Quantenkommunikation.
„Mit einer Quelle zur Erzeugung eines Stroms einzelner Photonen und zur Einführung der Polarisation haben wir im Wesentlichen zwei Geräte in einem kombiniert“, sagte Htoon.
Einrückungsschlüssel zur Photolumineszenz
Wie beschrieben in Naturmaterialien, arbeitete das Forschungsteam am Zentrum für integrierte Nanotechnologien daran, eine einzelmoleküldicke Schicht aus Wolframdiselenid-Halbleiter auf eine dickere Schicht aus magnetischem Nickel-Phosphor-Trisulfid-Halbleiter zu stapeln. Xiangzhi Li, wissenschaftlicher Postdoktorand, nutzte Rasterkraftmikroskopie, um eine Reihe nanometergroßer Vertiefungen auf dem dünnen Materialstapel zu erzeugen.
Die Vertiefungen haben einen Durchmesser von etwa 400 Nanometern, so dass problemlos über 200 solcher Vertiefungen über die Breite eines menschlichen Haares passen.
Die mit dem Atommikroskopie-Werkzeug erzeugten Vertiefungen erwiesen sich für zwei Effekte als nützlich, als ein Laser auf den Materialstapel fokussiert wurde. Erstens bildet die Vertiefung eine Vertiefung oder Vertiefung in der potenziellen Energielandschaft. Elektronen der Wolframdiselenid-Monoschicht fallen in die Vertiefung. Dadurch wird die Emission eines Stroms einzelner Photonen aus dem Bohrloch angeregt.
Die Nanoeinkerbung stört auch die typischen magnetischen Eigenschaften des darunter liegenden Nickel-Phosphor-Trisulfid-Kristalls und erzeugt ein lokales magnetisches Moment, das aus den Materialien herausragt. Dieses magnetische Moment polarisiert die emittierten Photonen zirkular.
Um diesen Mechanismus experimentell zu bestätigen, führte das Team zunächst in Zusammenarbeit mit der Pulsed Field Facility des National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos Experimente zur optischen Hochmagnetfeldspektroskopie durch. Anschließend maß das Team in Zusammenarbeit mit der Universität Basel in der Schweiz das winzige Magnetfeld der lokalen magnetischen Momente.
Die Experimente bewiesen, dass das Team erfolgreich einen neuartigen Ansatz zur Steuerung des Polarisationszustands eines einzelnen Photonenstroms demonstriert hatte.
Kodierung von Quanteninformationen
Das Team erforscht derzeit Möglichkeiten, den Grad der Zirkularpolarisation der einzelnen Photonen durch die Anwendung elektrischer oder Mikrowellenreize zu modulieren. Diese Fähigkeit würde eine Möglichkeit bieten, Quanteninformationen in den Photonenstrom zu kodieren.
Eine weitere Einkopplung des Photonenstroms in Wellenleiter – mikroskopisch kleine Lichtleiter – würde die photonischen Schaltkreise schaffen, die die Ausbreitung von Photonen in eine Richtung ermöglichen. Solche Schaltkreise wären die Grundbausteine eines hochsicheren Quanteninternets.
Mehr Informationen:
Xiangzhi Li et al., Proximity-induzierte chirale Quantenlichterzeugung in spannungstechnisch veränderten WSe2/NiPS3-Heterostrukturen, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7