Ett internationellt team som leds av Alexander Holleitner och Jonathan Finley, fysiker vid Münchens tekniska universitet (TUM), har lyckats placera ljuskällor i atomärt tunna materiallager med en noggrannhet på bara några nanometer. Den nya metoden möjliggör en mängd tillämpningar inom kvantteknik, från kvantsensorer och transistorer i smartphones till ny krypteringsteknik för dataöverföring.

Tidigare kretsar på chips är beroende av elektroner som informationsbärare. I framtiden, fotoner som överför information med ljusets hastighet kommer att kunna ta sig an denna uppgift i optiska kretsar. Kvantljuskällor, som sedan kopplas ihop med kvantfiberoptiska kablar och detektorer behövs som grundläggande byggstenar för sådana nya chips.

Ett internationellt team under ledning av TUM-fysikerna Alexander Holleitner och Jonathan Finley har nu lyckats skapa sådana kvantljuskällor i atomärt tunna materiallager och placera dem med nanometernoggrannhet.

Första steget mot optiska kvantdatorer

"Detta utgör ett första nyckelsteg mot optiska kvantdatorer, säger Julian Klein, huvudförfattare till studien. "Eftersom ljuskällorna för framtida tillämpningar måste kopplas till fotonkretsar, vågledare till exempel, för att göra ljusbaserade kvantberäkningar möjliga."

Den kritiska punkten här är den exakta och exakt kontrollerbara placeringen av ljuskällorna. Det är möjligt att skapa kvantljuskällor i konventionella tredimensionella material som diamant eller kisel, men de kan inte placeras exakt i dessa material.

Deterministiska defekter

Fysikerna använde sedan ett lager av halvledaren molybdendisulfid (MoS ₂ ) som utgångsmaterial, bara tre atomer tjocka. De bestrålade detta med en heliumjonstråle som de fokuserade på en yta på mindre än en nanometer.

För att generera optiskt aktiva defekter, önskade kvantljuskällor, molybden- eller svavelatomer hamras exakt ut ur lagret. Ofullkomligheterna är fällor för så kallade excitoner, elektron-hålpar, som sedan avger de önskade fotonerna.

Tekniskt, det nya heliumjonmikroskopet vid Walter Schottky Institutes Center for Nanotechnology and Nanomaterials, som kan användas för att bestråla sådant material med en oöverträffad lateral upplösning, var av central betydelse för detta.

På väg mot nya ljuskällor

Tillsammans med teoretiker på TUM, Max Planck Society, och universitetet i Bremen, teamet utvecklade en modell som också beskriver de energitillstånd som observeras vid bristerna i teorin.

I framtiden, forskarna vill också skapa mer komplexa ljuskällsmönster, i laterala tvådimensionella gitterstrukturer till exempel, för att på så sätt även forska om multiexcitonfenomen eller exotiska materialegenskaper.

Detta är den experimentella inkörsporten till en värld som länge bara har beskrivits i teorin inom ramen för den så kallade Bose-Hubbard-modellen som försöker redogöra för komplexa processer i fasta ämnen.

Kvantsensorer, transistorer och säker kryptering

Och det kan vara framsteg inte bara i teorin, men också med hänsyn till eventuell teknisk utveckling. Eftersom ljuskällorna alltid har samma underliggande defekt i materialet, de är teoretiskt oskiljbara. Detta möjliggör tillämpningar som är baserade på den kvantmekaniska principen om intrassling.

"Det är möjligt att integrera våra kvantljuskällor mycket elegant i fotonkretsar, " säger Klein. "På grund av den höga känsligheten, till exempel, det är möjligt att bygga kvantsensorer för smartphones och utveckla extremt säkra krypteringstekniker för dataöverföring."