Säkra telekommunikationsnät och snabb informationsbehandling gör mycket av det moderna livet möjligt. För att ge säkrare, snabbare, och informationsdelning med högre prestanda än vad som för närvarande är möjligt, forskare och ingenjörer designar nästa generations enheter som utnyttjar kvantfysikens regler. Dessa konstruktioner förlitar sig på enstaka fotoner för att koda och överföra information över kvantnätverk och mellan kvantchips. Dock, verktyg för att generera enstaka fotoner erbjuder ännu inte den precision och stabilitet som krävs för kvantinformationsteknologi.

Nu, som nyligen rapporterats i tidningen Vetenskapens framsteg , forskare har hittat ett sätt att skapa singel, identiska fotoner på begäran. Genom att placera en metallsond över en angiven punkt i ett vanligt 2D-halvledarmaterial, teamet ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utlöst en fotonemission elektriskt. Fotonens egenskaper kan enkelt justeras genom att ändra den applicerade spänningen.

"Demonstrationen av elektriskt driven enfotonemission vid en exakt punkt utgör ett stort steg i strävan efter integrerbar kvantteknologi, sa Alex Weber-Bargioni, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry som ledde projektet. Forskningen är en del av Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), ett Energy Frontier Research Center sponsrat av Department of Energy, vars övergripande mål är att hitta nya tillvägagångssätt för att skydda och kontrollera kvantminne som kan ge nya insikter om nya material och design för kvantberäkningsteknik.

Fotoner är en av de mest robusta bärarna av kvantinformation och kan resa långa sträckor utan att förlora sitt minne, eller så kallad koherens. Hittills, de flesta etablerade system för säker kommunikationsöverföring som kommer att driva storskalig kvantkommunikation kräver ljuskällor för att generera en foton i taget. Varje foton måste ha en exakt definierad våglängd och orientering. Den nya fotonemitter som demonstrerades vid Berkeley Lab uppnår den kontrollen och precisionen. Det kan användas för att överföra information mellan kvantprocessorer på olika chips, och i slutändan skalas upp till större processorer och ett framtida kvantinternet som länkar samman sofistikerade datorer runt om i världen.

Fotonemittern är baserad på ett vanligt 2D-halvledarmaterial (volframdisulfid, WS ₂ ), som har en svavelatom borttagen från sin kristallstruktur. Den noggrant lokaliserade atomära ofullkomligheten, eller defekt, fungerar som en punkt där fotonen kan genereras genom applicering av en elektrisk ström.

Utmaningen är inte hur man genererar enstaka fotoner, men hur man gör dem verkligt identiska och producerar dem på begäran. Fotonemitterande enheter, som halvledarnanopartiklar eller "kvantprickar" som lyser upp QLED-TV, som tillverkas med litografi är föremål för inneboende variationer, eftersom inget mönsterbaserat system kan vara identiskt ner till en enda atom. Forskare som arbetar med Weber-Bargioni tog ett annat tillvägagångssätt genom att odla ett tunnfilmsmaterial på ett ark grafen. Eventuella föroreningar som införs i den tunna filmens atomstruktur upprepas och är identiska genom hela provet. Genom simuleringar och experiment, teamet bestämde precis var de skulle introducera en ofullkomlighet i den annars enhetliga strukturen. Sedan, genom att applicera en elektrisk kontakt på den platsen, de kunde trigga materialet att avge en foton och kontrollera dess energi med den applicerade spänningen. Den fotonen är sedan tillgänglig för att transportera information till en avlägsen plats.

"Enfotonutsändare är som en terminal där noggrant förberedd men ömtålig kvantinformation skickas på en resa in i en blixtsnabb, robust låda, sade Bruno Schuler, en postdoktor vid Molecular Foundry (nu en forskare vid Empa—the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) och huvudförfattare till arbetet.

Nyckeln till experimentet är den guldbelagda spetsen på ett skanningstunnelmikroskop som kan placeras exakt över defektstället i det tunna filmmaterialet. När en spänning appliceras mellan sondens spets och provet, spetsen injicerar en elektron i defekten. När elektronen färdas eller tunnlar från sondspetsen, en väldefinierad del av dess energi omvandlas till en enda foton. Till sist, sondspetsen fungerar som en antenn som hjälper till att styra den emitterade fotonen till en optisk detektor som registrerar dess våglängd och position.

Genom att kartlägga fotoner som emitteras från tunna filmer gjorda för att inkludera olika defekter, forskarna kunde peka ut sambandet mellan den injicerade elektronen, lokal atomstruktur, och den emitterade fotonen. Vanligtvis, den optiska upplösningen för en sådan karta är begränsad till några hundra nanometer. Tack vare extremt lokaliserad elektroninjektion, kombinerat med toppmoderna mikroskopiverktyg, Berkeley Lab-teamet kunde avgöra var i materialet en foton uppstod med en upplösning under 1 ångström, ungefär en enda atoms diameter. De detaljerade fotonkartorna var avgörande för att lokalisera och förstå den elektronutlösta fotonemissionsmekanismen.

"När det gäller teknik, detta arbete har varit ett stort genombrott eftersom vi kan kartlägga ljusemission från en enda defekt med subnanometerupplösning. Vi visualiserar ljusemission med atomupplösning, sa Katherine Cochrane, en postdoktor vid Molecular Foundry och en huvudförfattare på uppsatsen.

Att definiera enfotonljuskällor i tvådimensionella material med atomär precision ger oöverträffad insikt som är avgörande för att förstå hur dessa källor fungerar, och tillhandahåller en strategi för att göra grupper av helt identiska. Arbetet är en del av NPQC:s fokus på att utforska nya kvantfenomen i icke-homogena 2D-material.

Tvådimensionella material leder vägen som en kraftfull plattform för nästa generations fotonemitter. De tunna filmerna är flexibla och enkelt integrerade med andra strukturer, och ger nu ett systematiskt sätt att införa oöverträffad kontroll över fotonemission. Baserat på de nya resultaten, forskarna planerar att arbeta med att använda nya material att använda som fotonkällor i kvantnätverk och kvantsimuleringar.