Исследователи развивают квантовую каллиграфию с прямой записью в однослойных полупроводниках. Ученые из Исследовательской лаборатории ВМС США (NRL) и Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) разработали способ прямой записи квантовых источников света, которые излучают один фотон света за раз, в однослойные полупроводники, такие как диселенид вольфрама (WSe2). Однофотонные излучатели (SPE), или квантовые излучатели, являются ключевыми компонентами в широком спектре зарождающихся квантовых технологий, включая вычисления, безопасную связь, зондирование и метрологию.

(а) Иллюстрация, показывающая наконечник АСМ, в котором обозначена структура TMD / полимер для введения локального штамма. (b) Структурированное однофотонное излучение в WSe2, индуцированное AFM-вдавливанием букв «NRL» и «AFRL». (c) Отступы АСМ производят «украшения» однофотонного излучателя на монослое WSe2 «Рождественская елка». Фото: Исследовательская лаборатория ВМС США

В отличие от обычных светоизлучающих диодов, которые испускают миллиарды фотонов одновременно для формирования постоянного потока света, идеальный SPE генерирует ровно один фотон по требованию, причем каждый фотон неотличим от другого. Эти характеристики важны для квантовых технологий на основе фотонов, находящихся в стадии разработки. Кроме того, такие возможности должны быть реализованы в материальной платформе, которая обеспечивает точное, повторяемое размещение SPE полностью масштабируемым образом, совместимым с существующим производством полупроводниковых микросхем.

Ученые NRL использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ) для создания наноразмерных впадин или отступов в одном монослое WSe2 на подложке из полимерной пленки. Вокруг наноиндента создается сильно локализованное поле деформации, которое создает одноэлементное излучение фотона в WSe2. Коррелированные по времени измерения, выполненные в AFRL этого излучения света, подтвердили истинную однофотонную природу этих состояний. Эти излучатели являются яркими, производят большое количество одиночных фотонов и являются спектрально стабильными, что является ключевыми требованиями для новых приложений.

«Эта квантовая каллиграфия позволяет детерминистически размещать и проектировать в реальном времени произвольные структуры SPE для поверхностного соединения с фотонными волноводами, полостями и плазмонными структурами», – сказал Беренд Йонкер, доктор философии, старший научный сотрудник и главный исследователь. «Наши результаты также показывают, что нано-импринтинг подход будет эффективен при создании больших массивов или моделей квантовых излучателей для изготовления квантовых фотонных систем в масштабе пластин».

Доктор Мэтью Розенбергер, ведущий автор исследования, подчеркивает важность этого открытия, заявляя: «Помимо возможности универсального размещения SPE, эти результаты представляют общую методологию передачи деформации в двумерные (2-D) материалы с нанометром точность, обеспечивающая неоценимый инструмент для дальнейших исследований и будущих применений деформирования 2-D устройств ».

Результаты этого исследования открывают путь для использования двумерных материалов в качестве твердотельных хостов для однофотонных излучателей в приложениях, имеющих отношение к миссии Министерства обороны (DoD), таких как безопасная связь, зондирование и квантовые вычисления. Такие приложения обеспечивают связь между удаленными силами DoD, которая не уязвима для прослушивания или дешифрования, что является необходимым требованием для обеспечения безопасности военного истребителя.

Квантовые вычисления на чипе обеспечивают возможность быстрого анализа очень больших наборов данных, полученных с помощью сенсорных массивов, так что весь набор данных не нужно передавать, что снижает требования к пропускной способности. Результаты исследований представлены в январе 2019 года ACS Nano.

В состав исследовательской группы входили д-р Мэтью Розенбергер, д-р Сюнь-Джен Чуанг, д-р Сожан Сиварам, д-р Кэтлин МакКрири и д-р Беренд Джонкер из Отдела материаловедения и технологии NRL; и доктор Чандрикер Кавир Дасс и доктор Джошуа Р. Хендриксон из Управления сенсоров AFRL. И Розенбергер, и Сиварам имеют стипендии Национального исследовательского совета (NRC) в NRL, а Чуанг – стипендию Американского общества инженерного образования (ASEE) в NRL.

По материалам phys.org