LANL : un nouveau dispositif quantique génère des photons uniques et code des informations

Formées dans des puits creusés dans l’empilement de deux matériaux en couches différents, un semi-conducteur monocouche et un cristal antiferromagnétique, les émissions de lumière quantique chirale s’élèvent hors du matériau et pourraient être utilisées pour des applications d’information et de communication quantiques. Photo gracieuseté de LANL

COMMUNIQUÉ DE PRESSE LANLUne nouvelle approche des émetteurs de lumière quantique génère un flux de photons uniques polarisés circulairement, ou particules de lumière, qui peuvent être utiles pour une gamme d'applications d'information et de communication quantiques. Une équipe du Laboratoire national de Los Alamos a empilé deux matériaux atomiquement minces différents pour réaliser cette source de lumière quantique chirale.

"Nos recherches montrent qu'il est possible pour un semi-conducteur monocouche d'émettre une lumière polarisée circulairement sans l'aide d'un champ magnétique externe", a déclaré Han Htoon, scientifique au Laboratoire national de Los Alamos. « Cet effet n’a été obtenu auparavant qu’avec des champs magnétiques élevés créés par des aimants supraconducteurs volumineux, en couplant des émetteurs quantiques à des structures photoniques nanométriques très complexes ou en injectant des porteurs polarisés en spin dans des émetteurs quantiques. Notre approche à effet de proximité présente l’avantage d’une fabrication et d’une fiabilité à faible coût.

« L’état de polarisation est un moyen de coder le photon, cette réalisation constitue donc une étape importante vers la cryptographie quantique ou la communication quantique. Avec une source permettant de générer un flux de photons uniques et d’introduire également la polarisation, nous avons essentiellement combiné deux appareils en un », a déclaré Htoon.

Comme décrit dans Nature Materials, l’équipe de recherche a travaillé au Centre de nanotechnologies intégrées pour empiler une couche d’une seule molécule de semi-conducteur au diséléniure de tungstène sur une couche plus épaisse de semi-conducteur magnétique au trisulfure de nickel et de phosphore. Xiangzhi Li, associé de recherche postdoctoral, a utilisé la microscopie à force atomique pour créer une série d'indentations à l'échelle nanométrique sur la fine pile de matériaux. Les empreintes mesurent environ 400 nanomètres de diamètre, de sorte que plus de 200 de ces empreintes peuvent facilement être insérées sur la largeur d'un cheveu humain.

Les indentations créées par l’outil de microscopie atomique se sont révélées utiles pour deux effets lorsqu’un laser était focalisé sur l’empilement de matériaux. Premièrement, l’indentation forme un puits, ou dépression, dans le paysage énergétique potentiel. Les électrons de la monocouche de diséléniure de tungstène tombent dans la dépression. Cela stimule l’émission d’un flux de photons uniques depuis le puits.

La nanoindentation perturbe également les propriétés magnétiques typiques du cristal de trisulfure de nickel et de phosphore sous-jacent, créant un moment magnétique local pointant vers le haut des matériaux. Ce moment magnétique polarise circulairement les photons émis. Pour fournir une confirmation expérimentale de ce mécanisme, l'équipe a d'abord réalisé des expériences de spectroscopie optique à champ magnétique élevé en collaboration avec l'installation de champ pulsé du National High Magnetic Field Laboratory à Los Alamos. L'équipe a ensuite mesuré le champ magnétique infime des moments magnétiques locaux en collaboration avec l'Université de Bâle en Suisse. Les expériences ont prouvé que l’équipe avait réussi à démontrer une nouvelle approche pour contrôler l’état de polarisation d’un flux de photons uniques.

L’équipe explore actuellement des moyens de moduler le degré de polarisation circulaire des photons uniques grâce à l’application de stimuli électriques ou micro-ondes. Cette capacité offrirait un moyen de coder des informations quantiques dans le flux de photons. Un couplage supplémentaire du flux de photons dans des guides d’ondes – des conduits de lumière microscopiques – fournirait les circuits photoniques permettant la propagation des photons dans une direction. De tels circuits constitueraient les éléments fondamentaux d’un Internet quantique ultra-sécurisé.

Papier: « Génération de lumière quantique chirale induite par la proximité dans les hétérostructures WSe2/NiPS3 conçues par contrainte. » Matériaux naturels.

DOI : 10.1038/s41563-023-01645-7