Gli scienziati dell'U.S. Naval Research Laboratory (NRL) e dell'Air Force Research Laboratory (AFRL) hanno sviluppato un modo per scrivere direttamente sorgenti di luce quantistica, che emettono un singolo fotone di luce alla volta, in semiconduttori monostrato come il diseleniuro di tungsteno (WSe2). Emettitori di fotoni singoli (SPE), o emettitori quantistici, sono componenti chiave in una vasta gamma di nascenti tecnologie quantistiche, compreso l'informatica, comunicazioni sicure, rilevamento e metrologia.

In contrasto con i diodi emettitori di luce convenzionali che emettono miliardi di fotoni simultaneamente per formare un flusso di luce costante, una SPE ideale genera esattamente un fotone su richiesta, con ogni fotone indistinguibile da un altro. Queste caratteristiche sono essenziali per le tecnologie quantistiche basate sui fotoni in fase di sviluppo. Inoltre, tali capacità dovrebbero essere realizzate in una piattaforma materiale che consenta precisi, posizionamento ripetibile di SPE in modo completamente scalabile compatibile con la produzione di chip a semiconduttore esistente.

Gli scienziati dell'NRL hanno utilizzato un microscopio a forza atomica (AFM) per creare depressioni o rientranze su nanoscala in un singolo monostrato di WSe2 su un substrato di pellicola polimerica. Attorno al nano-indent viene prodotto un campo di deformazione altamente localizzato che crea lo stato di emettitore del singolo fotone nel WSe2. Le misurazioni correlate al tempo eseguite all'AFRL di questa emissione di luce hanno confermato la vera natura a singolo fotone di questi stati. Questi emettitori sono luminosi, producendo alti tassi di singoli fotoni, e spettrale stabile, requisiti chiave per le applicazioni emergenti.

"Questa calligrafia quantistica consente il posizionamento deterministico e la progettazione in tempo reale di modelli arbitrari di SPE per un facile accoppiamento con guide d'onda fotoniche, cavità e strutture plasmoniche, " disse Berend Jonker, dottorato di ricerca, scienziato senior e ricercatore principale. "I nostri risultati indicano anche che un approccio di nano-imprinting sarà efficace nella creazione di grandi array o modelli di emettitori quantistici per la produzione su scala di wafer di sistemi fotonici quantistici".

Dott. Matthew Rosenberger, autore principale dello studio, sottolinea l'importanza di questa scoperta affermando, "Oltre a consentire il posizionamento versatile di SPE, questi risultati presentano una metodologia generale per impartire deformazioni in materiali bidimensionali (2-D) con precisione su scala nanometrica, fornendo uno strumento prezioso per ulteriori indagini e applicazioni future dell'ingegneria della deformazione dei dispositivi 2-D."

I risultati di questo studio aprono la strada all'uso di materiali 2-D come host a stato solido per emettitori di fotoni singoli in applicazioni rilevanti per la missione del Dipartimento della Difesa (DoD), come comunicazioni sicure, rilevamento e calcolo quantistico. Tali applicazioni consentono la comunicazione tra forze del Dipartimento della Difesa distanti che non sono vulnerabili alle intercettazioni o alla decrittazione, un requisito essenziale per assicurare la sicurezza del combattente.

Il calcolo quantistico su un chip fornisce la capacità a bordo di analizzare rapidamente set di dati molto grandi acquisiti da array di sensori, in modo che l'intero set di dati non debba essere trasmesso, riducendo i requisiti di larghezza di banda. I risultati della ricerca sono riportati nel gennaio 2019 ACS Nano .

Il team di ricerca includeva il dott. Matthew Rosenberger, Dott. Hsun-Jen Chuang, Dott. Saujan Sivaram, Dottoressa Kathleen McCreary, e il Dr. Berend Jonker della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali della NRL; e il dott. Chandriker Kavir Dass e il dott. Joshua R. Hendrickson della direzione dei sensori AFRL. Sia Rosenberger che Sivaram tengono borse di studio del National Research Council (NRC) presso l'NRL, e Chuang detiene una borsa di studio dell'American Society for Engineering Education (ASEE) presso l'NRL.