Il nuovo composito "ammaccato" può "torcere" i fotoni su richiesta

Laboratorio Nazionale di Los Alamos

Iscrivendoti, accetti i nostri Termini di utilizzo e le nostre Politiche. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento.

I ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno sviluppato con successo un nuovo modo per produrre un tipo specifico di fotone che potrebbe rivelarsi fondamentale per lo scambio di dati quantistici, in particolare per la crittografia. Il tipo specifico di fotoni, chiamato “luce polarizzata circolarmente”, si è finora rivelato difficile da creare e controllare, ma questa nuova tecnica rende il processo più semplice e, soprattutto, più economico. Ciò è stato ottenuto, spiega il team, impilando due materiali diversi, atomicamente sottili, per “torcere” (polarizzare) i fotoni in modo prevedibile.

"La nostra ricerca mostra che è possibile per un semiconduttore monostrato emettere luce polarizzata circolarmente senza l'aiuto di un campo magnetico esterno", ha spiegato Han Htoon, scienziato del Los Alamos National Laboratory. “Questo effetto è stato ottenuto in precedenza solo con campi magnetici elevati creati da ingombranti magneti superconduttori, accoppiando emettitori quantistici a strutture fotoniche su scala nanometrica molto complesse o iniettando portatori polarizzati con spin in emettitori quantistici. Il nostro approccio basato sull’effetto di prossimità presenta il vantaggio di una fabbricazione e di un’affidabilità a basso costo", ha aggiunto.

Lo stato di polarizzazione “codifica” efficacemente i fotoni generati, rendendolo un passaggio cruciale per la crittografia e la comunicazione quantistica. "Con una sorgente in grado di generare un flusso di singoli fotoni e introdurre anche la polarizzazione, abbiamo essenzialmente combinato due dispositivi in ​​uno", ha affermato Htoon.

Per raggiungere questo obiettivo, il gruppo di ricerca del Center for Integrated Nanotechnologies ha utilizzato la microscopia a forza atomica per creare una serie di rientranze su scala nanometrica, o “ammaccature”, sulla pila di materiali. Lo stack consisteva in uno strato di semiconduttore di diseleniuro di tungsteno spesso una singola molecola impilato su uno strato più spesso di semiconduttore magnetico trisolfuro di nichel e fosforo. Ognuna delle rientranze di circa 400 nanometri di diametro realizzate ne adatterebbe oltre 200 lungo la larghezza di un capello umano.

I ricercatori hanno poi scoperto che le "ammaccature" facevano sì che il diseleniuro di tungsteno emettesse singole particelle di luce (fotoni). Si è scoperto che hanno anche modificato le proprietà magnetiche del materiale del fondo in modo tale da conferire ai fotoni emessi una torsione speciale ("polarizzazione circolare").

Per confermare questo meccanismo, il team ha condotto esperimenti di spettroscopia ottica con il Laboratorio nazionale dell’alto campo magnetico e ha misurato il campo magnetico dei momenti magnetici locali con l’Università di Basilea. In tal modo, il team ha dimostrato con successo un nuovo metodo per controllare la polarizzazione del flusso di singolo fotone negli esperimenti. Un'impresa davvero impressionante!

Andando avanti, il team sta esplorando modi per modulare il grado di “polarizzazione circolare” di singoli fotoni utilizzando stimoli elettrici o a microonde che potrebbero, teoricamente, codificare le informazioni quantistiche nel flusso di fotoni. Condotti microscopici di luce chiamati guide d'onda potrebbero anche consentire l'accoppiamento del flusso di fotoni, creando circuiti fotonici. Se realizzabili, questi “circuiti” potrebbero costituire le basi di un’Internet quantistica ultra sicura.

Puoi vedere tu stesso lo studio sulla rivista Nature Materials.

Estratto dello studio:

Emettitori di luce quantistici in grado di generare singoli fotoni con polarizzazione circolare e statistiche non classiche potrebbero consentire dispositivi a fotone singolo non reciproci e interfacce spin-fotone deterministiche per le reti quantistiche. Ad oggi, l’emissione di tale luce quantistica chirale si basa sull’applicazione di intensi campi magnetici esterni, sull’iniezione elettrica/ottica di portatori/eccitoni con spin polarizzato o sull’accoppiamento con complesse metastrutture fotoniche. Qui riportiamo la creazione di emettitori di luce quantistica chirale nello spazio libero tramite la nanoindentazione di eterostrutture monostrato WSe2/NiPS3 a campo magnetico esterno pari a zero. Questi emettitori di luce quantistica emettono con un elevato grado di polarizzazione circolare (0,89) e purezza del singolo fotone (95%), indipendentemente dalla polarizzazione del laser della pompa. La microscopia a scansione di azoto-vacanza del diamante e gli studi di magnetofotoluminescenza dipendenti dalla temperatura rivelano che l'emissione di luce quantistica chirale deriva dalle interazioni di prossimità magnetica tra gli eccitoni localizzati nel monostrato WSe2 e la magnetizzazione fuori piano dei difetti nell'ordine antiferromagnetico di NiPS3, entrambi sono co-localizzati da campi di deformazione associati alle rientranze su scala nanometrica.