Een internationaal team onder leiding van Alexander Holleitner en Jonathan Finley, natuurkundigen aan de Technische Universiteit van München (TUM), is erin geslaagd lichtbronnen in atomair dunne materiaallagen te plaatsen met een nauwkeurigheid van slechts enkele nanometers. De nieuwe methode maakt een veelvoud aan toepassingen mogelijk in kwantumtechnologieën, van kwantumsensoren en transistors in smartphones tot nieuwe encryptietechnologieën voor datatransmissie.

Eerdere circuits op chips vertrouwen op elektronen als informatiedragers. In de toekomst, fotonen die informatie met de snelheid van het licht verzenden, kunnen deze taak op zich nemen in optische circuits. Quantum lichtbronnen, die vervolgens worden verbonden met kwantumglasvezelkabels en detectoren zijn nodig als basisbouwstenen voor dergelijke nieuwe chips.

Een internationaal team onder leiding van TUM-natuurkundigen Alexander Holleitner en Jonathan Finley is er nu in geslaagd om dergelijke kwantumlichtbronnen in atomair dunne materiaallagen te creëren en met nanometer-nauwkeurigheid te plaatsen.

Eerste stap naar optische kwantumcomputers

"Dit is een eerste belangrijke stap in de richting van optische kwantumcomputers, " zegt Julian Klein, hoofdauteur van de studie. "Omdat voor toekomstige toepassingen de lichtbronnen gekoppeld moeten worden aan fotoncircuits, golfgeleiders bijv. om op licht gebaseerde kwantumberekeningen mogelijk te maken."

Het kritische punt hierbij is de exacte en nauwkeurig regelbare plaatsing van de lichtbronnen. Het is mogelijk om kwantumlichtbronnen te creëren in conventionele driedimensionale materialen zoals diamant of silicium, maar ze kunnen niet precies in deze materialen worden geplaatst.

Deterministische defecten

De natuurkundigen gebruikten vervolgens een laag van de halfgeleider molybdeendisulfide (MoS ₂ ) als uitgangsmateriaal, slechts drie atomen dik. Die bestraalden ze met een heliumionenbundel die ze focusten op een oppervlakte van minder dan een nanometer.

Om optisch actieve defecten te genereren, de gewenste quantumlichtbronnen, molybdeen- of zwavelatomen worden precies uit de laag gehamerd. De imperfecties zijn vallen voor zogenaamde excitonen, elektron-gat paren, die vervolgens de gewenste fotonen uitzenden.

Technisch gezien, de nieuwe heliumionmicroscoop van het Walter Schottky Institute's Centre for Nanotechnology and Nanomaterials, die kan worden gebruikt om dergelijk materiaal te bestralen met een ongeëvenaarde laterale resolutie, stond daarbij centraal.

Op weg naar nieuwe lichtbronnen

Samen met theoretici van TUM, de Max Planck-vereniging, en de Universiteit van Bremen, het team ontwikkelde een model dat ook de energietoestanden beschrijft die in theorie bij de imperfecties worden waargenomen.

In de toekomst, de onderzoekers willen ook complexere lichtbronpatronen creëren, in laterale tweedimensionale roosterstructuren bijvoorbeeld, om zo ook multi-excitonverschijnselen of exotische materiaaleigenschappen te onderzoeken.

Dit is de experimentele toegangspoort tot een wereld die lange tijd alleen in theorie is beschreven binnen de context van het zogenaamde Bose-Hubbard-model dat probeert complexe processen in vaste stoffen te verklaren.

Quantum sensoren, transistors en veilige encryptie

En er kan vooruitgang zijn, niet alleen in theorie, maar ook met betrekking tot mogelijke technologische ontwikkelingen. Omdat de lichtbronnen altijd hetzelfde onderliggende defect in het materiaal hebben, ze zijn theoretisch niet van elkaar te onderscheiden. Dit maakt toepassingen mogelijk die gebaseerd zijn op het kwantummechanische principe van verstrengeling.

"Het is mogelijk om onze kwantumlichtbronnen heel elegant te integreren in fotoncircuits, ", zegt Klein. "Door de hoge gevoeligheid, bijvoorbeeld, het is mogelijk om kwantumsensoren voor smartphones te bouwen en extreem veilige encryptietechnologieën voor datatransmissie te ontwikkelen."