Un equipo internacional encabezado por Alexander Holleitner y Jonathan Finley, físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM), ha logrado colocar fuentes de luz en capas de material atómicamente delgadas con una precisión de solo unos pocos nanómetros. El nuevo método permite una multitud de aplicaciones en tecnologías cuánticas, desde sensores cuánticos y transistores en teléfonos inteligentes hasta nuevas tecnologías de cifrado para la transmisión de datos.

Los circuitos anteriores en chips se basan en electrones como portadores de información. En el futuro, los fotones que transmiten información a la velocidad de la luz podrán asumir esta tarea en circuitos ópticos. Fuentes de luz cuántica, que luego se conectan con cables de fibra óptica cuántica y se necesitan detectores como bloques de construcción básicos para estos nuevos chips.

Un equipo internacional encabezado por los físicos de TUM Alexander Holleitner y Jonathan Finley ahora ha logrado crear tales fuentes de luz cuántica en capas de material atómicamente delgadas y colocarlas con precisión nanométrica.

Primer paso hacia las computadoras cuánticas ópticas

"Esto constituye un primer paso clave hacia las computadoras cuánticas ópticas, "dice Julian Klein, autor principal del estudio. "Porque para aplicaciones futuras, las fuentes de luz deben estar acopladas con circuitos de fotones, guías de ondas, por ejemplo, para hacer posibles los cálculos cuánticos basados ​​en la luz ".

El punto crítico aquí es la ubicación exacta y controlable con precisión de las fuentes de luz. Es posible crear fuentes de luz cuántica en materiales tridimensionales convencionales como el diamante o el silicio, pero no se pueden colocar con precisión en estos materiales.

Defectos deterministas

Luego, los físicos utilizaron una capa de disulfuro de molibdeno semiconductor (MoS ₂ ) como material de partida, sólo tres átomos de espesor. Lo irradiaron con un haz de iones de helio que enfocaron en una superficie de menos de un nanómetro.

Para generar defectos ópticamente activos, las fuentes de luz cuántica deseadas, Los átomos de molibdeno o azufre se extraen con precisión de la capa. Las imperfecciones son trampas para los llamados excitones, pares de electrones-huecos, que luego emiten los fotones deseados.

Técnicamente, el nuevo microscopio de iones de helio en el Centro de Nanotecnología y Nanomateriales del Instituto Walter Schottky, que se puede utilizar para irradiar dicho material con una resolución lateral incomparable, fue de vital importancia para esto.

En el camino hacia nuevas fuentes de luz

Junto con los teóricos de TUM, la Sociedad Max Planck, y la Universidad de Bremen, el equipo desarrolló un modelo que también describe los estados de energía observados en las imperfecciones en teoría.

En el futuro, los investigadores también quieren crear patrones de fuentes de luz más complejos, en estructuras de celosía bidimensionales laterales, por ejemplo, con el fin de investigar también fenómenos de excitones múltiples o propiedades de materiales exóticos.

Esta es la puerta de entrada experimental a un mundo que durante mucho tiempo solo se ha descrito en teoría dentro del contexto del llamado modelo de Bose-Hubbard, que busca dar cuenta de procesos complejos en sólidos.

Sensores cuánticos, transistores y cifrado seguro

Y puede haber progreso no solo en teoría, pero también con respecto a posibles desarrollos tecnológicos. Dado que las fuentes de luz siempre tienen el mismo defecto subyacente en el material, son teóricamente indistinguibles. Esto permite aplicaciones que se basan en el principio de entrelazamiento de la mecánica cuántica.

"Es posible integrar nuestras fuentes de luz cuántica de manera muy elegante en circuitos de fotones, "dice Klein." Debido a la alta sensibilidad, por ejemplo, es posible construir sensores cuánticos para teléfonos inteligentes y desarrollar tecnologías de cifrado extremadamente seguras para la transmisión de datos ".