Het vermogen om een ​​fysiek proces met slechts één foton aan en uit te zetten, is een fundamentele bouwsteen voor kwantumfotonische technologieën. Dit realiseren in een architectuur op chipschaal is belangrijk voor schaalbaarheid, die een doorbraak versterkt door City College of New York-onderzoekers onder leiding van natuurkundige Vinod Menon. Ze hebben voor het eerst het gebruik aangetoond van "Rydberg-toestanden" in vaste-stofmaterialen (eerder getoond in koude atoomgassen) om niet-lineaire optische interacties te verbeteren tot ongekende niveaus in vaste-stofsystemen. Deze prestatie is een eerste stap naar het realiseren van schaalbare enkelvoudige fotonschakelaars op chipschaal.

In solid-state systemen, exciton-polaritonen, half-licht half-materie quasideeltjes, die het gevolg zijn van de hybridisatie van elektronische excitaties (excitonen) en fotonen, zijn een aantrekkelijke kandidaat om niet-lineariteiten op de kwantumlimiet te realiseren. "Hier realiseren we deze quasideeltjes met Rydberg-excitonen (geëxciteerde toestanden van excitonen) in atomair dunne halfgeleiders (2D-materialen), " zei Menon, leerstoel natuurkunde in de City College's Division of Science. "Opgewonden toestanden van excitonen vanwege hun grotere omvang, verbeterde interacties vertonen en daarom veelbelovend zijn voor toegang tot het kwantumdomein van niet-lineariteiten van één foton, zoals eerder aangetoond met Rydberg-staten in atomaire systemen."

Volgens Menon, de demonstratie van Rydberg-exciton-polaritonen in tweedimensionale halfgeleiders en hun verbeterde niet-lineaire respons vormt de eerste stap naar het genereren van sterke foton-interacties in solid-state systemen, een noodzakelijke bouwsteen voor kwantumfotonische technologieën.

Jie Gu, een afgestudeerde student die onder toezicht van Menon werkt, was de eerste auteur van de studie getiteld "Enhanced nonlinear interaction of polaritons via excitonic Rydberg states in monolayer WSe2, " die verschijnt in Natuur Communicatie. Het team omvatte ook wetenschappers van Stanford, Colombia, Aarhus en Montreal Polytechnische universiteiten.

"Het onderzoek van professor Menon en zijn collega's zou een enorme impact kunnen hebben op de doelen van het leger voor ultra-lage energie-informatieverwerking en -verwerking voor mobiele legerplatforms zoals onbemande systemen, " zei Dr. Michael Gerhold, programmamanager bij het US Army Combat Capabilities Development Command, bekend als DEVCOM, Leger onderzoekslaboratorium. "Optisch schakelen en niet-lineariteiten die worden gebruikt in toekomstige computerparadigma's die fotonica gebruiken, zouden baat hebben bij deze vooruitgang. Dergelijke sterke koppelingseffecten zouden het energieverbruik verminderen en mogelijk de computerprestaties verbeteren."