Un team internazionale guidato da Alexander Holleitner e Jonathan Finley, fisici presso l'Università Tecnica di Monaco di Baviera (TUM), è riuscita a posizionare sorgenti luminose in strati di materiale atomicamente sottili con una precisione di pochi nanometri. Il nuovo metodo consente una moltitudine di applicazioni nelle tecnologie quantistiche, dai sensori quantistici e transistor negli smartphone fino alle nuove tecnologie di crittografia per la trasmissione dei dati.

I circuiti precedenti sui chip si affidano agli elettroni come vettori di informazioni. Nel futuro, i fotoni che trasmettono informazioni alla velocità della luce potranno svolgere questo compito nei circuiti ottici. Sorgenti di luce quantistica, che vengono quindi collegati con cavi e rilevatori in fibra ottica quantistica sono necessari come elementi costitutivi di base per tali nuovi chip.

Un team internazionale guidato dai fisici TUM Alexander Holleitner e Jonathan Finley è ora riuscito a creare tali sorgenti di luce quantistica in strati di materiale atomicamente sottili e a posizionarli con precisione nanometrica.

Primo passo verso i computer quantistici ottici

"Questo costituisce un primo passo fondamentale verso i computer quantistici ottici, "dice Julian Klein, autore principale dello studio. "Poiché per applicazioni future le sorgenti luminose devono essere accoppiate a circuiti di fotoni, guide d'onda per esempio, al fine di rendere possibili calcoli quantistici basati sulla luce."

Il punto critico qui è il posizionamento esatto e controllabile con precisione delle sorgenti luminose. È possibile creare sorgenti di luce quantistica in materiali tridimensionali convenzionali come il diamante o il silicio, ma non possono essere collocati con precisione in questi materiali.

Difetti deterministici

I fisici hanno quindi utilizzato uno strato del semiconduttore disolfuro di molibdeno (MoS ₂ ) come materiale di partenza, solo tre atomi di spessore. Lo hanno irradiato con un fascio di ioni di elio che hanno focalizzato su una superficie inferiore a un nanometro.

Per generare difetti otticamente attivi, le sorgenti luminose quantistiche desiderate, gli atomi di molibdeno o zolfo vengono espulsi con precisione dallo strato. Le imperfezioni sono trappole per i cosiddetti eccitoni, coppie elettrone-lacuna, che poi emettono i fotoni desiderati.

tecnicamente, il nuovo microscopio a ioni di elio presso il Centro per le nanotecnologie e i nanomateriali del Walter Schottky Institute, che può essere utilizzato per irradiare tale materiale con una risoluzione laterale senza pari, era di fondamentale importanza per questo.

Sulla strada verso nuove sorgenti luminose

Insieme ai teorici della TUM, la Società Max Planck, e l'Università di Brema, il team ha sviluppato un modello che descrive anche gli stati energetici osservati alle imperfezioni in teoria.

Nel futuro, i ricercatori vogliono anche creare modelli di sorgenti luminose più complessi, in strutture reticolari bidimensionali laterali per esempio, al fine di ricercare così anche fenomeni multi-eccitoni o proprietà di materiali esotici.

Questa è la porta sperimentale a un mondo che è stato a lungo descritto solo in teoria nel contesto del cosiddetto modello di Bose-Hubbard che cerca di rendere conto di processi complessi nei solidi.

Sensori quantistici, transistor e crittografia sicura

E potrebbero esserci progressi non solo in teoria, ma anche riguardo ai possibili sviluppi tecnologici. Poiché le sorgenti luminose hanno sempre lo stesso difetto di fondo del materiale, sono teoricamente indistinguibili. Ciò consente applicazioni che si basano sul principio quantomeccanico dell'entanglement.

"È possibile integrare molto elegantemente le nostre sorgenti di luce quantistica in circuiti di fotoni, " dice Klein. "A causa dell'elevata sensibilità, Per esempio, è possibile costruire sensori quantistici per smartphone e sviluppare tecnologie di crittografia estremamente sicure per la trasmissione dei dati."