Möjligheten att slå på och stänga av en fysisk process med bara en foton är en grundläggande byggsten för kvantfotonisk teknik. Att inse detta i en chip-skala arkitektur är viktigt för skalbarhet, som förstärker ett genombrott av City College of New Yorks forskare under ledning av fysikern Vinod Menon. De har för första gången demonstrerat användningen av "Rydberg-tillstånd" i material i fast tillstånd (tidigare visat i kalla atomgaser) för att förbättra icke-linjära optiska interaktioner till oöverträffade nivåer i fasta tillståndssystem. Denna bedrift är ett första steg mot att förverkliga skalbara enfoton-switchar i chip-skala.

I solid state-system, exciton-polaritoner, halvlätta halvmateria kvasipartiklar, som härrör från hybridisering av elektroniska excitationer (excitoner) och fotoner, är en attraktiv kandidat för att realisera olinjäriteter vid kvantgränsen. "Här inser vi dessa kvasipartiklar med Rydberg-excitoner (exciterade tillstånd av excitoner) i atomärt tunna halvledare (2D-material), sa Menon, professor i fysik vid City Colleges avdelning för naturvetenskap. "Exciterade tillstånd av excitoner på grund av deras större storlek, visa förbättrade interaktioner och har därför ett löfte om att komma åt kvantdomänen av en-foton-olinjäriteter, som visats tidigare med Rydberg-tillstånd i atomsystem."

Enligt Menon, demonstrationen av Rydbergs exciton-polaritoner i tvådimensionella halvledare och deras förbättrade olinjära respons presenterar det första steget mot generering av starka fotoninteraktioner i solid state-system, en nödvändig byggsten för kvantfotonteknik.

Jie Gu, en doktorand som arbetar under Menons övervakning, var den första författaren till studien med titeln "Förbättrad olinjär interaktion av polaritoner via excitoniska Rydberg-tillstånd i monolager WSe2, " som visas i Naturkommunikation. Teamet inkluderade också forskare från Stanford, Columbia, Aarhus och Montreal Polytechnic universitet.

"Forskningen av professor Menon och hans medarbetare kan ha en enorm inverkan på arméns mål för ultralågenergiinformationsbearbetning och datoranvändning för mobila arméplattformar som obemannade system, " sa Dr. Michael Gerhold, programledare vid U.S. Army Combat Capabilities Development Command, känd som DEVCOM, Arméns forskningslaboratorium. "Optisk omkoppling och olinjäriteter som används i framtida datorparadigm som använder fotonik skulle dra nytta av detta framsteg. Sådana starka kopplingseffekter skulle minska energiförbrukningen och möjligen hjälpa datorprestanda."