Neues „verbeultes“ Komposit kann Photonen bei Bedarf „verdrehen“.

Nationallabor Los Alamos

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Forschern am Los Alamos National Laboratory ist es gelungen, eine neue Methode zur Erzeugung eines bestimmten Photonentyps zu entwickeln, der sich als entscheidend für den Austausch von Quantendaten, insbesondere für die Verschlüsselung, erweisen könnte. Die spezielle Art von Photonen, das sogenannte „zirkular polarisierte Licht“, erwies sich bisher als schwierig zu erzeugen und zu kontrollieren, aber diese neue Technik macht den Prozess einfacher und vor allem billiger. Erreicht wurde dies, erklärt das Team, durch das Stapeln zweier verschiedener, atomar dünner Materialien, um Photonen auf vorhersehbare Weise zu „verdrehen“ (polarisieren).

„Unsere Forschung zeigt, dass es einem einschichtigen Halbleiter möglich ist, ohne die Hilfe eines externen Magnetfelds zirkular polarisiertes Licht zu emittieren“, erklärte Han Htoon, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory. „Dieser Effekt wurde bisher nur mit hohen Magnetfeldern erreicht, die durch sperrige supraleitende Magnete erzeugt wurden, durch die Kopplung von Quantenemittern an sehr komplexe nanoskalige photonische Strukturen oder durch die Injektion spinpolarisierter Ladungsträger in Quantenemitter.“ Unser Proximity-Effekt-Ansatz hat den Vorteil einer kostengünstigen Herstellung und Zuverlässigkeit“, fügte er hinzu.

Der Polarisationszustand „kodiert“ erzeugte Photonen effektiv, was dies zu einem entscheidenden Schritt für die Quantenkryptographie und -kommunikation macht. „Mit einer Quelle zur Erzeugung eines Stroms einzelner Photonen und zur Einführung der Polarisation haben wir im Wesentlichen zwei Geräte in einem kombiniert“, sagte Htoon.

Um dies zu erreichen, nutzte das Forschungsteam des Zentrums für integrierte Nanotechnologien Rasterkraftmikroskopie, um eine Reihe nanometergroßer Vertiefungen oder „Dellen“ auf dem Materialstapel zu erzeugen. Der Stapel bestand aus einer einzelmoleküldicken Schicht aus Wolframdiselenid-Halbleiter, gestapelt auf einer dickeren Schicht aus magnetischem Nickel-Phosphor-Trisulfid-Halbleiter. Jede der erzeugten Vertiefungen mit einem Durchmesser von etwa 400 Nanometern würde über 200 Nanometer über die Breite eines menschlichen Haares passen.

Die Forscher fanden dann heraus, dass die „Dellen“ dazu führten, dass das Wolframdiselenid einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussendete. Es stellte sich heraus, dass sie auch die magnetischen Eigenschaften des Bodenmaterials so veränderten, dass es den emittierten Photonen eine besondere Drehung („Zirkularpolarisation“) verlieh.

Um diesen Mechanismus zu bestätigen, führte das Team optische Spektroskopieexperimente mit dem National High Magnetic Field Laboratory durch und maß das Magnetfeld der lokalen magnetischen Momente mit der Universität Basel. Auf diese Weise demonstrierte das Team in den Experimenten erfolgreich eine neue Methode zur Steuerung der Einzelphotonenstrompolarisation. Eine ziemlich beeindruckende Leistung!

Für die Zukunft erforscht das Team Möglichkeiten, den Grad der „zirkulären Polarisation“ einzelner Photonen mithilfe elektrischer oder Mikrowellenreize zu modulieren, die theoretisch Quanteninformationen in den Photonenstrom kodieren könnten. Mikroskopisch kleine Lichtleiter, sogenannte Wellenleiter, könnten auch die Kopplung des Photonenstroms ermöglichen und so photonische Schaltkreise erzeugen. Wenn möglich, könnten diese „Schaltkreise“ die Grundlage für ein hochsicheres Quanteninternet bilden.

Sie können sich die Studie selbst in der Zeitschrift Nature Materials ansehen.

Studienzusammenfassung:

Quantenlichtemitter, die einzelne Photonen mit zirkularer Polarisation und nichtklassischer Statistik erzeugen können, könnten nichtreziproke Einzelphotonengeräte und deterministische Spin-Photonen-Schnittstellen für Quantennetzwerke ermöglichen. Bisher beruht die Emission eines solchen chiralen Quantenlichts auf der Anwendung intensiver externer Magnetfelder, der elektrischen/optischen Injektion spinpolarisierter Träger/Exzitonen oder der Kopplung mit komplexen photonischen Metastrukturen. Hier berichten wir über die Erzeugung chiraler Freiraum-Quantenlichtemitter durch Nanoindentierung von Monoschicht-WSe2/NiPS3-Heterostrukturen bei einem externen Magnetfeld von Null. Diese Quantenlichtemitter emittieren mit einem hohen Grad an Zirkularpolarisation (0,89) und Einzelphotonenreinheit (95 %), unabhängig von der Pumplaserpolarisation. Rasterdiamant-Stickstoff-Leerstellenmikroskopie und temperaturabhängige Magnetophotolumineszenzstudien zeigen, dass die chirale Quantenlichtemission durch magnetische Nähewechselwirkungen zwischen lokalisierten Exzitonen in der WSe2-Monoschicht und der Magnetisierung von Defekten in der antiferromagnetischen Ordnung von NiPS3 außerhalb der Ebene entsteht. Beide sind durch Spannungsfelder kolokalisiert, die mit den nanoskaligen Vertiefungen verbunden sind.