Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är skiktade halvledare som kan exfolieras till lager som bara är några få atomer tjocka. Ny forskning har visat att vissa TMD kan innehålla kvantljuskällor som kan sända ut enstaka fotoner av ljus. Tills nu, förekomsten av dessa kvantljussändare har varit slumpmässig. Nu, forskare i Graphene Flagship som arbetar vid University of Cambridge, STORBRITANNIEN, har skapat storskaliga arrayer av dessa kvantemitter i olika TMD-material. Arbetet, som också involverar forskare från Harvard University, USA, publiceras i Naturkommunikation . Detta nya tillvägagångssätt leder till stora mängder on-demand, enstaka fotonutsändare, banar väg för integrering av ultratunna, enstaka fotoner i elektroniska enheter.

Kvantljussändare, eller kvantprickar, är av intresse för många olika applikationer, inklusive kvantkommunikation och nätverk. Tills nu, det har varit mycket svårt att producera stora uppsättningar av kvantemitters tätt intill varandra samtidigt som kvantljuskällornas höga kvalitet bibehålls. "Det är nästan ett Goldilocks-problem - det verkar som om man antingen får bra enstaka fotonkällor, eller bra arrayer men inte båda samtidigt. Nu, helt plötsligt, vi kan ha hundratals av dessa sändare i ett prov, " sa Mete Atatüre, en professor vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge.

De slumpmässiga förekomsterna av kvantprickar i TMD försvårade systematisk undersökning. "Förmågan att deterministiskt skapa våra källor har gjort en dramatisk förändring i hur vi gör vår dagliga forskning. Tidigare var det ren tur, och vi var tvungna att hålla humöret högt även om vi inte lyckades. Nu, vi kan forska på ett mer systematiskt sätt, " sa Atatüre. Den här nya metoden gör inte bara det enklare att utföra forskning, men det leder också till förbättringar i själva sändaren:"Kvaliteten på de sändare som vi skapar med avsikt verkar vara bättre än de naturliga kvantprickarna."

Dhiren Kara, en forskare vid Cavendish Laboratory, sa "Det finns massor av mystik kring dessa sändare, i hur de uppstår och hur de fungerar. Nu, man kan direkt skapa sändare och behöver inte oroa sig för att vänta på att de ska dyka upp slumpmässigt. I det avseendet, det påskyndar mycket av vetenskapen."

För att skapa kvantljuskällorna, forskarna skär en rad nanoskala pelare till kiseldioxid eller nanodiamond, och hängde sedan upp det få atom-tjocka TMD-skiktet ovanpå pelarna. Kvantemitterna skapas sedan i TMD där de stöds av pelarna, så det är möjligt att välja exakt var de enskilda fotonerna ska genereras. "Det faktum att utsläppen genereras på ett mekaniskt sätt är bra, eftersom det betyder att de är ganska robusta, och materialoberoende, sa Carmen Palacios-Berraquero, en forskare vid Cavendish Laboratory och första författare till verket.

Den deterministiska och robusta genereringen av kvantkällor innebär nya möjligheter för hybridstrukturer av fotoniska och elektroniska funktioner sammanlagda. Kvantmatriserna är helt skalbara och kompatibla med tillverkning av kiselchips.

Andrea Ferrari, Science and Technology Officer och ordförande för ledningspanelen för grafenflaggskeppet, var också involverad i forskningen. Han tillade "Kvantteknik är erkänd som nyckelinvesteringsområden för Europa, med ett nytt Quantum Flagship som nyligen tillkännagavs. Det är fantastiskt att se att skiktmaterial nu har en fast plats bland de lovande tillvägagångssätten för generering och manipulation av kvantljus och kan vara möjliggörande för en framtida integrerad teknik. "