Veilige telecommunicatienetwerken en snelle informatieverwerking maken een groot deel van het moderne leven mogelijk. Om meer zekerheid te bieden, sneller, en beter presterende informatie-uitwisseling dan momenteel mogelijk is, wetenschappers en ingenieurs ontwerpen apparaten van de volgende generatie die gebruikmaken van de regels van de kwantumfysica. Die ontwerpen zijn afhankelijk van enkele fotonen om informatie te coderen en te verzenden via kwantumnetwerken en tussen kwantumchips. Echter, tools voor het genereren van enkelvoudige fotonen bieden nog niet de precisie en stabiliteit die nodig is voor kwantuminformatietechnologie.

Nutsvoorzieningen, zoals onlangs in het tijdschrift werd gemeld wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers hebben een manier gevonden om enkele, identieke fotonen op aanvraag. Door een metalen sonde over een aangewezen punt in een gewoon 2D-halfgeleidermateriaal te plaatsen, het team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft elektrisch een fotonemissie veroorzaakt. De eigenschappen van het foton kunnen eenvoudig worden aangepast door de aangelegde spanning te veranderen.

"De demonstratie van elektrisch aangedreven enkelvoudige fotonenemissie op een precies punt vormt een grote stap in de zoektocht naar integreerbare kwantumtechnologieën, " zei Alex Weber-Bargioni, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab die het project leidde. Het onderzoek maakt deel uit van het Centre for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), een Energy Frontier Research Center gesponsord door het ministerie van Energie, wiens overkoepelende doel is om nieuwe benaderingen te vinden voor de bescherming en controle van kwantumgeheugen die nieuwe inzichten kunnen bieden in nieuwe materialen en ontwerpen voor kwantumcomputertechnologie.

Fotonen zijn een van de meest robuuste dragers van kwantuminformatie en kunnen lange afstanden afleggen zonder hun geheugen te verliezen, of zogenaamde coherentie. Daten, de meeste gevestigde schema's voor veilige communicatieoverdracht die grootschalige kwantumcommunicatie mogelijk maken, vereisen dat lichtbronnen één foton tegelijk genereren. Elk foton moet een nauwkeurig gedefinieerde golflengte en oriëntatie hebben. De nieuwe fotonenzender die in Berkeley Lab werd gedemonstreerd, bereikt die controle en precisie. Het kan worden gebruikt voor het overbrengen van informatie tussen kwantumprocessors op verschillende chips, en uiteindelijk opgeschaald naar grotere processors en een toekomstig kwantuminternet dat geavanceerde computers over de hele wereld met elkaar verbindt.

De fotonenzender is gebaseerd op een algemeen 2-D halfgeleidermateriaal (wolfraamdisulfide, WS ₂ ), waarvan een zwavelatoom uit zijn kristalstructuur is verwijderd. Die zorgvuldig gelokaliseerde atomaire imperfectie, of defect, dient als een punt waar het foton kan worden gegenereerd door het aanleggen van een elektrische stroom.

De uitdaging is niet hoe afzonderlijke fotonen te genereren, maar hoe je ze echt identiek kunt maken en ze op aanvraag kunt produceren. Fotonen-emitterende apparaten, zoals de halfgeleider nanodeeltjes of 'quantum dots' die QLED-tv's verlichten, die zijn vervaardigd door lithografie zijn onderhevig aan inherente variabiliteit, omdat geen enkel patroongebaseerd systeem tot op een enkel atoom identiek kan zijn. Onderzoekers die met Weber-Bargioni werkten, pakten het anders aan door een dunnefilmmateriaal op een vel grafeen te laten groeien. Alle onzuiverheden die in de atomaire structuur van de dunne film worden geïntroduceerd, worden herhaald en identiek door het hele monster. Door simulaties en experimenten, het team bepaalde precies waar een onvolmaaktheid moest worden aangebracht in de verder uniforme structuur. Vervolgens, door een elektrisch contact op die plaats aan te brengen, ze waren in staat om het materiaal te triggeren om een ​​foton uit te zenden en zijn energie te regelen met de aangelegde spanning. Dat foton is dan beschikbaar om informatie naar een verre locatie te brengen.

"Single-photon emitters zijn als een terminal waar zorgvuldig voorbereide maar kwetsbare kwantuminformatie wordt verzonden op een reis naar een bliksemsnelle, stevige doos, " zei Bruno Schuler, een postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry (nu een onderzoekswetenschapper bij Empa - de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie) en hoofdauteur van het werk.

De sleutel tot het experiment is de met goud beklede punt van een scanning tunneling microscoop die precies over de plaats van het defect in het dunne filmmateriaal kan worden gepositioneerd. Wanneer er een spanning wordt aangelegd tussen de sondepunt en het monster, de punt injecteert een elektron in het defect. Wanneer het elektron van de sondepunt reist of tunnelt, een goed gedefinieerd deel van zijn energie wordt omgezet in een enkel foton. Eindelijk, de sondepunt fungeert als een antenne die helpt het uitgezonden foton naar een optische detector te leiden die zijn golflengte en positie vastlegt.

Door de fotonen in kaart te brengen die worden uitgezonden door dunne films die zijn gemaakt om verschillende defecten op te nemen, konden de onderzoekers de correlatie tussen het geïnjecteerde elektron, lokale atomaire structuur, en het uitgezonden foton. Gebruikelijk, de optische resolutie van zo'n kaart is beperkt tot enkele honderden nanometers. Dankzij extreem gelokaliseerde elektroneninjectie, gecombineerd met ultramoderne microscopie-instrumenten, het Berkeley Lab-team kon bepalen waar in het materiaal een foton tevoorschijn kwam met een resolutie van minder dan 1 angstrom, ongeveer de diameter van een enkel atoom. De gedetailleerde fotonenkaarten waren cruciaal voor het lokaliseren en begrijpen van het door elektronen geactiveerde fotonenemissiemechanisme.

"Qua techniek dit werk is een grote doorbraak geweest omdat we de lichtemissie van een enkel defect in kaart kunnen brengen met een resolutie van minder dan nanometer. We visualiseren lichtemissie met atomaire resolutie, " zei Katherine Cochrane, een postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry en een hoofdauteur van het papier.

Het met atomaire precisie definiëren van lichtbronnen van één foton in tweedimensionale materialen biedt ongekend inzicht dat essentieel is om te begrijpen hoe die bronnen werken, en biedt een strategie voor het maken van groepen van perfect identieke. Het werk maakt deel uit van NPQC's focus op het verkennen van nieuwe kwantumfenomenen in niet-homogene 2D-materialen.

Tweedimensionale materialen lopen voorop als een krachtig platform voor fotonenzenders van de volgende generatie. De dunne films zijn flexibel en gemakkelijk te integreren met andere structuren, en bieden nu een systematische manier om ongeëvenaarde controle over fotonenemissie te introduceren. Op basis van de nieuwe resultaten, de onderzoekers zijn van plan om te werken aan het gebruik van nieuwe materialen om te gebruiken als fotonbronnen in kwantumnetwerken en kwantumsimulaties.