Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) en het Air Force Research Laboratory (AFRL) hebben een manier ontwikkeld om direct kwantumlichtbronnen te schrijven, die een enkel foton van licht tegelijk uitzenden, in monolaagse halfgeleiders zoals wolfraamdiselenide (WSe2). Enkele foton emitters (SPE's), of kwantumstralers, zijn sleutelcomponenten in een breed scala van opkomende kwantumgebaseerde technologieën, inclusief computergebruik, veilige communicatie, detectie en metrologie.

In tegenstelling tot conventionele lichtemitterende diodes die miljarden fotonen tegelijk uitzenden om een ​​gestage lichtstroom te vormen, een ideale SPE genereert precies één foton op aanvraag, waarbij elk foton niet van een ander te onderscheiden is. Deze kenmerken zijn essentieel voor op fotonen gebaseerde kwantumtechnologieën die in ontwikkeling zijn. In aanvulling, dergelijke mogelijkheden moeten worden gerealiseerd in een materieel platform dat nauwkeurige, herhaalbare plaatsing van SPE's op een volledig schaalbare manier die compatibel is met de bestaande productie van halfgeleiderchips.

NRL-wetenschappers gebruikten een atomaire krachtmicroscoop (AFM) om depressies of inkepingen op nanoschaal te creëren in een enkele monolaag van WSe2 op een polymeerfilmsubstraat. Een zeer gelokaliseerd spanningsveld wordt geproduceerd rond de nano-inspringing die de toestand van de enkele foton-emitter in de WSe2 creëert. Tijdgecorreleerde metingen uitgevoerd bij AFRL van deze lichtemissie bevestigden de ware enkelvoudige fotonaard van deze toestanden. Deze zenders zijn helder, het produceren van hoge snelheden van enkele fotonen, en spectraal stabiel, belangrijkste vereisten voor opkomende toepassingen.

"Deze kwantumkalligrafie maakt deterministische plaatsing en realtime ontwerp van willekeurige patronen van SPE's mogelijk voor gemakkelijke koppeling met fotonische golfgeleiders, holten en plasmonische structuren, zei Berend Jonker, doctoraat, senior wetenschapper en hoofdonderzoeker. "Onze resultaten geven ook aan dat een nano-imprinting-aanpak effectief zal zijn bij het creëren van grote arrays of patronen van kwantumemitters voor de productie van kwantumfotonische systemen op waferschaal."

Dr. Matthew Rosenberger, hoofdauteur van de studie, wijst op het belang van deze ontdekking en stelt:"Naast het mogelijk maken van veelzijdige plaatsing van SPE's, deze resultaten presenteren een algemene methodologie voor het verlenen van spanning in tweedimensionale (2-D) materialen met precisie op nanometerschaal, een hulpmiddel van onschatbare waarde voor verder onderzoek en toekomstige toepassingen van spanningsengineering van 2D-apparaten."

De resultaten van deze studie effenen de weg voor het gebruik van 2D-materialen als vastestofgastheren voor enkelvoudige fotonstralers in toepassingen die relevant zijn voor de missie van het Ministerie van Defensie (DoD), zoals beveiligde communicatie, detectie en kwantumberekening. Dergelijke toepassingen maken communicatie mogelijk tussen verre DoD-troepen die niet kwetsbaar zijn voor afluisteren of ontsleutelen, een essentiële vereiste om de veiligheid van de oorlogsjager te verzekeren.

Quantumberekening op een chip biedt de mogelijkheid aan boord om snel zeer grote datasets te analyseren die zijn verkregen door sensorarrays, zodat niet de hele dataset hoeft te worden verzonden, bandbreedtevereisten te verminderen. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in de januari 2019 ACS Nano .

Het onderzoeksteam omvatte Dr. Matthew Rosenberger, Dr. Hsun-Jen Chuang, Dr. Saujan Sivaram, Dr. Kathleen McCreary, en Dr. Berend Jonker van de NRL Materials Science and Technology Division; en Dr. Chandriker Kavir Dass en Dr. Joshua R. Hendrickson van het AFRL Sensors Directorate. Zowel Rosenberger als Sivaram hebben beurzen van de National Research Council (NRC) bij NRL, en Chuang heeft een American Society for Engineering Education (ASEE) fellowship bij NRL.