Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Southampton hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van ultradunne kwantumlichtbronnen. Hun onderzoek laat zien hoe het benutten van excitonische interacties de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen kan verbeteren. Deze bevindingen zijn veelbelovend voor het miniaturiseren en integreren van kwantumfotonische apparaten die cruciaal zijn voor kwantumcomputer- en communicatietechnologieën.

Excitonische interacties en het genereren van verstrengelde fotonen

Excitonen zijn quasideeltjes die worden gevormd wanneer elektronen en gaten met elkaar worden verbonden door Coulombische krachten. In bepaalde halfgeleidermaterialen, zoals atomair dunne overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), vertonen excitonen sterke interacties, wat leidt tot unieke optische verschijnselen. Eén zo'n fenomeen is exciton-exciton-annihilatie, waarbij twee excitonen op elkaar inwerken en elkaar vernietigen, waarbij energie vrijkomt in de vorm van verstrengelde fotonen.

Efficiëntie verbeteren

Het team, onder leiding van professor Mete Atature, onderzocht hoe exciton-exciton-interacties kunnen worden benut om de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen te verbeteren. Ze vervaardigden ultradunne kwantumlichtgevende diodes (LED's) met behulp van atomair dunne TMD-monolagen en bestudeerden hun lichtgevende eigenschappen onder verschillende excitatievermogensdichtheden.

Belangrijkste bevindingen

Uit hun experimenten bleek dat exciton-exciton-interacties een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de generatie van verstrengelde fotonen. Bij lage excitatievermogens vertoonde de LED zwakke exciton-exciton-interacties, wat resulteerde in lage generatiesnelheden van verstrengelde fotonen. Naarmate het excitatievermogen toenam, werden de exciton-exciton-interacties echter duidelijker, wat leidde tot een aanzienlijke toename van de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen - een meer dan tienvoudige toename vergeleken met het regime met laag vermogen.

Betekenis

Dit onderzoek demonstreert het potentieel van atomair dunne TMD-kwantumlichtbronnen voor het efficiënt genereren van verstrengelde fotonen. Het benutten van exciton-exciton-interacties biedt een krachtige aanpak om de prestaties van kwantumfotonische apparaten te verbeteren. Deze ontwikkelingen dragen bij aan de miniaturisering en integratie van kwantumtechnologieën, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor praktische toepassingen in kwantumcomputing, kwantumcryptografie en kwantumdetectie.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications .