Illustrazione di una punta di sonda ricoperta d'oro che inietta elettroni in un'imperfezione accuratamente localizzata in un materiale atomicamente sottile. L'energia di ciascun elettrone provoca l'emissione altamente localizzata di un singolo fotone, che può quindi essere guidato a un rilevatore. Credito:Ignacio Gaubert
Reti di telecomunicazione sicure e una rapida elaborazione delle informazioni rendono possibile gran parte della vita moderna. Per fornire una maggiore sicurezza, Più veloce, e condivisione delle informazioni più performante di quanto sia attualmente possibile, scienziati e ingegneri stanno progettando dispositivi di nuova generazione che sfruttano le regole della fisica quantistica. Questi progetti si basano su singoli fotoni per codificare e trasmettere informazioni attraverso reti quantistiche e tra chip quantistici. Però, gli strumenti per la generazione di singoli fotoni non offrono ancora la precisione e la stabilità necessarie per la tecnologia dell'informazione quantistica.
Ora, come riportato di recente sulla rivista Progressi scientifici , i ricercatori hanno trovato un modo per generare singoli, fotoni identici su richiesta. Posizionando una sonda metallica su un punto designato in un comune materiale semiconduttore 2-D, il team guidato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha innescato elettricamente un'emissione di fotoni. Le proprietà del fotone possono essere semplicemente regolate modificando la tensione applicata.
"La dimostrazione dell'emissione di un singolo fotone azionata elettricamente in un punto preciso costituisce un grande passo avanti nella ricerca di tecnologie quantistiche integrabili, " ha detto Alex Weber-Bargioni, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry del Berkeley Lab che ha guidato il progetto. La ricerca fa parte del Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un Energy Frontier Research Center sponsorizzato dal Dipartimento dell'Energia, il cui obiettivo principale è trovare nuovi approcci per proteggere e controllare la memoria quantistica in grado di fornire nuove informazioni su nuovi materiali e progetti per la tecnologia di calcolo quantistico.
I fotoni sono uno dei vettori più robusti di informazioni quantistiche e possono percorrere lunghe distanze senza perdere la memoria, o cosiddetta coerenza. Ad oggi, gli schemi più consolidati per il trasferimento sicuro delle comunicazioni che alimenteranno le comunicazioni quantistiche su larga scala richiedono che le sorgenti luminose generino un fotone alla volta. Ogni fotone deve avere una lunghezza d'onda e un orientamento definiti con precisione. Il nuovo emettitore di fotoni dimostrato al Berkeley Lab raggiunge quel controllo e quella precisione. Potrebbe essere utilizzato per trasferire informazioni tra processori quantistici su chip diversi, e alla fine è passato a processori più grandi e a un futuro Internet quantistico che collega computer sofisticati in tutto il mondo.
L'emettitore di fotoni si basa su un comune materiale semiconduttore 2-D (disolfuro di tungsteno, WS 2 ), che ha un atomo di zolfo rimosso dalla sua struttura cristallina. Quell'imperfezione atomica accuratamente localizzata, o difetto, funge da punto in cui il fotone può essere generato mediante l'applicazione di una corrente elettrica.
La sfida non è come generare singoli fotoni, ma come renderli veramente identici e produrli su richiesta. Dispositivi che emettono fotoni, come le nanoparticelle di semiconduttori o "punti quantici" che illuminano i televisori QLED, fabbricati mediante litografia sono soggetti a variabilità intrinseca, poiché nessun sistema basato su pattern può essere identico fino a un singolo atomo. I ricercatori che lavorano con Weber-Bargioni hanno adottato un approccio diverso coltivando un materiale a film sottile su un foglio di grafene. Eventuali impurità introdotte nella struttura atomica del film sottile vengono ripetute e identiche in tutto il campione. Attraverso simulazioni ed esperimenti, il team ha deciso esattamente dove introdurre un'imperfezione nella struttura altrimenti uniforme. Quindi, applicando un contatto elettrico a quella posizione, sono stati in grado di attivare il materiale per emettere un fotone e controllarne l'energia con la tensione applicata. Quel fotone è quindi disponibile per trasportare informazioni in una posizione lontana.
Una mappa mostra l'intensità e la posizione dei fotoni emessi da un materiale a film sottile mentre viene applicata una tensione. Credito:Berkeley Lab
"Gli emettitori a singolo fotone sono come un terminale in cui informazioni quantistiche preparate con cura ma fragili vengono inviate in un viaggio in un fulmineo, scatola robusta, " ha detto Bruno Schuler, ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry (ora ricercatore presso l'Empa, i laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali) e autore principale del lavoro.
La chiave dell'esperimento è la punta rivestita in oro di un microscopio a scansione a effetto tunnel che può essere posizionato esattamente sopra il sito del difetto nel materiale a film sottile. Quando viene applicata una tensione tra la punta della sonda e il campione, la punta inietta un elettrone nel difetto. Quando l'elettrone viaggia o scavalca dalla punta della sonda, una parte ben definita della sua energia si trasforma in un singolo fotone. Finalmente, la punta della sonda funge da antenna che aiuta a guidare il fotone emesso verso un rivelatore ottico che ne registra la lunghezza d'onda e la posizione.
Mappando i fotoni emessi da film sottili fatti per includere vari difetti, i ricercatori sono stati in grado di individuare la correlazione tra l'elettrone iniettato, struttura atomica locale, e il fotone emesso. Generalmente, la risoluzione ottica di tale mappa è limitata a poche centinaia di nanometri. Grazie all'iniezione di elettroni estremamente localizzata, combinato con strumenti di microscopia all'avanguardia, il team del Berkeley Lab ha potuto determinare dove nel materiale è emerso un fotone con una risoluzione inferiore a 1 angstrom, circa il diametro di un singolo atomo. Le mappe dettagliate dei fotoni sono state fondamentali per individuare e comprendere il meccanismo di emissione di fotoni innescato da elettroni.
"In termini di tecnica, questo lavoro è stato un grande passo avanti perché possiamo mappare l'emissione di luce da un singolo difetto con una risoluzione sub-nanometrica. Visualizziamo l'emissione di luce con risoluzione atomica, "ha detto Katherine Cochrane, ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry e autore principale del documento.
La definizione di sorgenti luminose a singolo fotone in materiali bidimensionali con precisione atomica fornisce informazioni senza precedenti fondamentali per comprendere come funzionano tali sorgenti, e fornisce una strategia per creare gruppi di quelli perfettamente identici. Il lavoro fa parte dell'attenzione di NPQC sull'esplorazione di nuovi fenomeni quantistici in materiali 2-D non omogenei.
I materiali bidimensionali stanno aprendo la strada come potente piattaforma per gli emettitori di fotoni di prossima generazione. I film sottili sono flessibili e facilmente integrabili con altre strutture, e ora forniscono un modo sistematico per introdurre un controllo senza precedenti sull'emissione di fotoni. Sulla base dei nuovi risultati, i ricercatori intendono lavorare sull'impiego di nuovi materiali da utilizzare come sorgenti di fotoni nelle reti quantistiche e nelle simulazioni quantistiche.
