Forskare vid U.S.Naval Research Laboratory (NRL) och Air Force Research Laboratory (AFRL) har utvecklat ett sätt att direkt skriva kvantljuskällor, som avger en enda foton av ljus åt gången, till enskikts halvledare såsom volframdiselenid (WSe2). Enkel fotonsändare (SPE), eller kvantemitterare, är nyckelkomponenter i ett brett spektrum av framväxande kvantbaserade tekniker, inklusive datorer, säker kommunikation, avkänning och metrologi.

I motsats till konventionella ljusdioder som avger miljarder fotoner samtidigt för att bilda en stadig ljusström, en idealisk SPE genererar exakt en foton på begäran, med varje foton som inte går att skilja från en annan. Dessa egenskaper är väsentliga för fotonbaserade kvanttekniker under utveckling. Dessutom, sådana möjligheter bör realiseras i en materialplattform som möjliggör exakta, repeterbar placering av SPE:er på ett helt skalbart sätt som är kompatibelt med befintlig halvledartillverkning.

NRL -forskare använde ett atomkraftmikroskop (AFM) för att skapa nanoskala fördjupningar eller indrag i ett enda monoskikt av WSe2 på ett polymerfilmsubstrat. Ett mycket lokaliserat stamfält produceras runt nanotrycket som skapar tillståndet för enstaka fotonemitter i WSe2. Tidskorrelerade mätningar utförda vid AFRL av denna ljusemission bekräftade dessa staters sanna enfotonart. Dessa sändare är ljusa, producerar höga frekvenser av enstaka fotoner, och spektralstabil, viktiga krav för nya applikationer.

"Denna kvantkalligrafi möjliggör deterministisk placering och realtidsdesign av godtyckliga SPE -mönster för lättkoppling med fotoniska vågledare, hålrum och plasmoniska strukturer, sa Berend Jonker, Ph.D., senior forskare och huvudutredare. "Våra resultat indikerar också att ett nano-imprinting-tillvägagångssätt kommer att vara effektivt för att skapa stora matriser eller mönster för kvantemitrar för tillverkning av skivor i kvantfoton."

Dr Matthew Rosenberger, huvudförfattare till studien, påpekar vikten av denna upptäckt, "Förutom att möjliggöra mångsidig placering av SPE, dessa resultat presenterar en allmän metod för att överföra stam till tvådimensionella (2-D) material med nanometer-precision, tillhandahåller ett ovärderligt verktyg för ytterligare undersökningar och framtida tillämpningar av stamkonstruktion av 2-D-enheter. "

Resultaten av denna studie banar väg för användning av 2-D-material som solid state-värdar för enstaka fotonutsändare i applikationer som är relevanta för Department of Defense (DoD), såsom säker kommunikation, avkänning och kvantberäkning. Sådana applikationer möjliggör kommunikation mellan avlägsna DoD -krafter som inte är sårbara för avlyssning eller dekryptering, ett väsentligt krav för att försäkra krigskämparens säkerhet.

Kvantberäkning på ett chip ger inbyggd förmåga att snabbt analysera mycket stora datamängder som förvärvats av sensorarrayer, så att hela datamängden inte behöver överföras, minska bandbreddskraven. Forskningsresultaten rapporteras i januari 2019 ACS Nano .

Forskargruppen inkluderade Dr. Matthew Rosenberger, Dr Hsun-Jen Chuang, Dr Saujan Sivaram, Dr Kathleen McCreary, och Dr Berend Jonker från NRL Materials Science and Technology Division; och Dr. Chandriker Kavir Dass och Dr. Joshua R. Hendrickson från AFRL Sensors Directorate. Både Rosenberger och Sivaram håller stipendier för National Research Council (NRC) vid NRL, och Chuang har ett American Society for Engineering Education (ASEE) stipendium vid NRL.