Ilustración de una punta de sonda cubierta de oro que inyecta electrones en una imperfección cuidadosamente ubicada en un material atómicamente delgado. La energía de cada electrón provoca la emisión altamente localizada de un solo fotón, que luego se puede guiar a un detector. Crédito:Ignacio Gaubert
Las redes de telecomunicaciones seguras y el procesamiento rápido de la información hacen posible gran parte de la vida moderna. Para brindar más seguridad, más rápido, e intercambio de información de mayor rendimiento de lo que es posible actualmente, Los científicos e ingenieros están diseñando dispositivos de próxima generación que aprovechan las reglas de la física cuántica. Esos diseños se basan en fotones individuales para codificar y transmitir información a través de redes cuánticas y entre chips cuánticos. Sin embargo, Las herramientas para generar fotones individuales aún no ofrecen la precisión y estabilidad necesarias para la tecnología de la información cuántica.
Ahora, como se informó recientemente en la revista Avances de la ciencia , los investigadores han encontrado una forma de generar fotones idénticos bajo demanda. Al colocar una sonda metálica sobre un punto designado en un material semiconductor 2-D común, El equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. ha provocado una emisión de fotones eléctricamente. Las propiedades del fotón se pueden ajustar simplemente cambiando el voltaje aplicado.
"La demostración de la emisión de un solo fotón impulsada eléctricamente en un punto preciso constituye un gran paso en la búsqueda de tecnologías cuánticas integrables, "dijo Alex Weber-Bargioni, un científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab que dirigió el proyecto. La investigación es parte del Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía patrocinado por el Departamento de Energía, cuyo objetivo general es encontrar nuevos enfoques para proteger y controlar la memoria cuántica que puedan proporcionar nuevos conocimientos sobre materiales y diseños novedosos para la tecnología de computación cuántica.
Los fotones son uno de los portadores más robustos de información cuántica y pueden viajar largas distancias sin perder su memoria. o la llamada coherencia. Hasta la fecha, La mayoría de los esquemas establecidos para la transferencia de comunicaciones seguras que impulsarán las comunicaciones cuánticas a gran escala requieren fuentes de luz para generar un fotón a la vez. Cada fotón debe tener una longitud de onda y una orientación definidas con precisión. El nuevo emisor de fotones demostrado en Berkeley Lab logra ese control y precisión. Podría usarse para transferir información entre procesadores cuánticos en diferentes chips, y, en última instancia, ampliado a procesadores más grandes y una futura Internet cuántica que conecta computadoras sofisticadas de todo el mundo.
El emisor de fotones se basa en un material semiconductor bidimensional común (disulfuro de tungsteno, WS 2 ), que tiene un átomo de azufre eliminado de su estructura cristalina. Esa imperfección atómica cuidadosamente localizada, o defecto, sirve como un punto donde se puede generar el fotón mediante la aplicación de una corriente eléctrica.
El desafío no es cómo generar fotones individuales, pero cómo hacerlos verdaderamente idénticos y producirlos a pedido. Dispositivos emisores de fotones, como las nanopartículas semiconductoras o 'puntos cuánticos' que iluminan los televisores QLED, que son fabricados por litografía están sujetos a una variabilidad inherente, ya que ningún sistema basado en patrones puede ser idéntico en un solo átomo. Los investigadores que trabajan con Weber-Bargioni adoptaron un enfoque diferente al cultivar un material de película delgada en una hoja de grafeno. Cualquier impureza introducida en la estructura atómica de la película delgada se repite y es idéntica en toda la muestra. A través de simulaciones y experimentos, el equipo determinó dónde introducir una imperfección en la estructura uniforme. Luego, aplicando un contacto eléctrico a esa ubicación, pudieron activar el material para que emitiera un fotón y controlar su energía con el voltaje aplicado. Ese fotón está disponible para llevar información a un lugar distante.
Un mapa muestra la intensidad y la ubicación de los fotones emitidos por un material de película delgada mientras se aplica un voltaje. Crédito:Berkeley Lab
"Los emisores de un solo fotón son como una terminal donde se envía información cuántica frágil pero cuidadosamente preparada en un viaje hacia un relámpago, caja robusta, "dijo Bruno Schuler, investigador postdoctoral en Molecular Foundry (ahora investigador científico en Empa, los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales) y autor principal del trabajo.
La clave del experimento es la punta recubierta de oro de un microscopio de efecto túnel que se puede colocar exactamente sobre el sitio del defecto en el material de película delgada. Cuando se aplica voltaje entre la punta de la sonda y la muestra, la punta inyecta un electrón en el defecto. Cuando el electrón viaja o forma un túnel desde la punta de la sonda, una parte bien definida de su energía se transforma en un solo fotón. Finalmente, la punta de la sonda actúa como una antena que ayuda a guiar el fotón emitido a un detector óptico que registra su longitud de onda y posición.
Al mapear los fotones emitidos por películas delgadas hechas para incluir varios defectos, los investigadores pudieron identificar la correlación entre el electrón inyectado, estructura atómica local, y el fotón emitido. Generalmente, la resolución óptica de dicho mapa está limitada a unos cientos de nanómetros. Gracias a la inyección de electrones extremadamente localizada, combinado con herramientas de microscopía de última generación, el equipo de Berkeley Lab pudo determinar en qué parte del material emergió un fotón con una resolución inferior a 1 angstrom, aproximadamente el diámetro de un solo átomo. Los mapas de fotones detallados fueron cruciales para identificar y comprender el mecanismo de emisión de fotones activado por electrones.
"En términos de técnica, este trabajo ha sido un gran avance porque podemos mapear la emisión de luz de un solo defecto con una resolución subnanométrica. Visualizamos la emisión de luz con resolución atómica, "dijo Katherine Cochrane, investigador postdoctoral en Molecular Foundry y autor principal del artículo.
La definición de fuentes de luz de fotón único en materiales bidimensionales con precisión atómica proporciona una visión sin precedentes fundamental para comprender cómo funcionan esas fuentes. y proporciona una estrategia para formar grupos de personas perfectamente idénticas. El trabajo es parte del enfoque de NPQC en explorar nuevos fenómenos cuánticos en materiales 2-D no homogéneos.
Los materiales bidimensionales están liderando el camino como una plataforma poderosa para los emisores de fotones de próxima generación. Las películas delgadas son flexibles y se integran fácilmente con otras estructuras, y ahora proporcionan una forma sistemática de introducir un control incomparable sobre la emisión de fotones. Según los nuevos resultados, los investigadores planean trabajar en el empleo de nuevos materiales para utilizarlos como fuentes de fotones en redes cuánticas y simulaciones cuánticas.
