Un equipo multidisciplinario del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de EE. UU. desarrolló un nuevo paradigma para el control de emisores cuánticos, proporcionando una nueva forma de modular y codificar información fotónica cuántica en un flujo de luz de fotón único.
Se espera que la fotónica cuántica haga cosas que no son posibles con la luz clásica y promete avances significativos en comunicaciones seguras, metrología, detección y procesamiento y computación de información cuántica.
Estas aplicaciones imponen muchos requisitos a los candidatos a emisores cuánticos (QE), incluida la creación y ubicación deterministas del emisor, un alto grado de captura de fotón único de hasta 90-100% y la capacidad de controlar o modificar dichas emisiones. La capacidad de modular el carácter de la luz emitida por estos emisores discretos ofrece un mecanismo para codificar información en un solo flujo de fotones, con aplicaciones en comunicaciones seguras y esquemas de cifrado cuántico basados en fuentes de fotones únicos. Este trabajo fue publicado recientemente. ACS Nano.
La fotónica cuántica es una ciencia y tecnología que utiliza la óptica cuántica para determinadas aplicaciones donde los efectos cuánticos juegan un papel esencial. Se trata de generar, manipular y detectar luz en sistemas en los que es posible controlar coordinadamente los cuantos individuales del campo luminoso. Los QE, también conocidos como emisores de fotón único, son componentes clave de esta tecnología.
“Los materiales bidimensionales como el disulfuro de tungsteno monocapa y el diseleniuro de tungsteno sirven como anfitriones para los QE, y su estructura plana y en capas atómicas ofrece muchas ventajas como plataformas de materiales para circuitos fotónicos cuánticos”, dijo Berend, Ph.D., científico principal. en NRL. Investigador Principal. “Se pueden integrar fácilmente con otros materiales y sustratos, y la proximidad del QE a la superficie facilita el control de la emisión de luz así como la emisión por efectos externos”.
El equipo del NRL desarrolló un mecanismo invariante y reversible para controlar la pureza de la emisión de un solo fotón en una monocapa de disulfuro de tungsteno (WS).2) integrándolo con un material ferroeléctrico. Forman un emisor en WS.2 y son capaces de alternar la emisión entre luz cuántica de alta pureza y luz semiclásica cambiando la polarización ferroeléctrica con un voltaje de polarización. Emisores locales en monocapa WS2 Los “dominios superiores” de la película ferroeléctrica emiten luz cuántica de alta pureza, mientras que los “dominios inferiores” emiten luz más cuasi clásica.
“Esta nueva heteroestructura ofrece un nuevo paradigma para el control de emisores cuánticos al combinar las propiedades ferroicas invariantes de los ferroeléctricos con las propiedades radiativas de emisores de escala atómica de dimensión cero integrados en WS bidimensionales.2 Monocapa semiconductora”, dijo Jonker.
Las muestras estudiadas consistieron en películas monocapa de WS.2 crecido a partir de deposición química de vapor y transferido mecánicamente a una película de 260 nm de un polímero ferroeléctrico orgánico, previamente transferido a un sustrato de silicio altamente dopado. Los científicos suelen construir y colocar emisores cuánticos dentro de WS.2 Utilizando la técnica de nanoindentación del Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) desarrollada y patentada por NRL.
“Lograr un contacto más estrecho entre WS2 Y la película ferroeléctrica es muy importante, y eso requiere una superficie de película ferroeléctrica muy suave”, dijo Sungeon Lee, Ph.D., becario postdoctoral de la Sociedad Estadounidense para la Educación en Ingeniería (ASEE) que trabaja con Jonker. “Por lo tanto, un recubrimiento por rotación Y para la película se utilizó el proceso de inversión”.
“El polímero ferroeléctrico orgánico actúa como un polímero irreversible”, dijo Ben Chuang, Ph.D.
Físico investigador de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales del NRL. “Cuando se retira la punta del AFM, WS2 se ajusta al contorno de la nanoindentación, y el campo de tensión local activa la emisión de fotón único de estados defectuosos a escala atómica en el WS.2“
Para el contacto eléctrico superior se transfirió grafito y se cubrió parcialmente la WS.2y se usó una punta de microscopía de fuerza piezoeléctrica conductora para aplicar un voltaje de polarización para cambiar la polarización del polímero ferroeléctrico bajo WS.2.
Los emisores cuánticos son bloques de construcción fundamentales en la ciencia de los materiales y las tecnologías de la ciencia cuántica que se espera que mantengan y mejoren el dominio de los combatientes para las futuras armadas. La Estrategia de Ciencia y Tecnología Naval (C&T) afirma que “la ciencia cuántica desempeñará un papel importante en la guerra naval, por ejemplo permitiendo velocidades de computación más rápidas… un cifrado más fuerte y sensores innovadores”. Tanto la Oficina del Subsecretario de Defensa (Investigación e Ingeniería) como la Estrategia Nacional de Ciencia y Tecnología de la Defensa 2023 han identificado los materiales avanzados y la ciencia cuántica como áreas tecnológicas clave.
El equipo de investigación del NRL estuvo formado por Sungjun Lee, Ph.D., becario postdoctoral; Hsun-jen Chuang, Ph.D., físico investigador; Kathy McCreary, PhD, física investigadora; Dante O’Hara, PhD, ingeniero de materiales; Berend Jonker, PhD, científico principal; Todo el contenido de NRL División de ciencia y tecnología; y Andrew Yates, PhD, físico investigador de la División de Ciencia y Tecnología Electrónica del NRL.
