新型量子设备可产生单光子并编码信息

​应变工程 WSe2/NiPS3 异质结构承载的 QE 显示出尖锐、局部的 PL 峰，具有很强的自发圆偏振。WSe2 单层与 NiPS3 不重叠的部分发出明亮的聚光（R1 区域），而当 WSe2 与 NiPS3 相耦合时，聚光被熄灭（R2 区域）。c, 样品结构示意图和原子力显微镜拓扑图及代表性压痕的横截面（插图）。d-f, 在 4 K 的线性偏振激光激发下从不同纳米压痕获得的代表性 σ+ 分辨率（蓝色）和 σ-- 分辨率（红色）PL 光谱。虽然标记为 a 和 b 的峰为 σ+ 极化，DCP 值分别为 0.36 和 0.89，但标记为 c-f 的峰为 σ- 极化，DCP 值分别为 -0.40、-0.29、-0.33 和 -0.37。一些局部发射峰位于几乎不显示极化的广义聚光背景之上，这表明如果减去广义聚光背景，局部发射峰的 DCP 值甚至会更高。来源：《自然-材料》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7
 

量子光发射器的一种新方法可产生圆偏振单光子流或光粒子流，这可能对一系列量子信息和通信应用有用。洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的研究小组将两种不同的原子级薄材料堆叠在一起，实现了这种手性量子光源。

"洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家 Han Htoon 说："我们的研究表明，单层半导体有可能在没有外部磁场的帮助下发射圆偏振光。

"以前只有通过大型超导磁体产生的高磁场、将量子发射器与非常复杂的纳米级光子学结构耦合或向量子发射器注入自旋偏振载流子才能实现这种效果。我们的近程效应方法具有低成本制造和可靠性高的优势"。

偏振态是对光子进行编码的一种手段，因此这一成果是朝着量子密码学或量子通信方向迈出的重要一步。

"Htoon 说："有了产生单光子流的光源，同时还引入了偏振，我们基本上将两种装置合二为一了。

压痕是光致发光的关键
正如《自然-材料》杂志所描述的，研究团队在集成纳米技术中心工作，将单分子厚的二硒化钨半导体层叠加到更厚的三硫化镍磷磁性半导体层上。博士后助理研究员李向志利用原子力显微镜在这层薄薄的材料上制造出了一系列纳米级的压痕。

这些压痕的直径约为400纳米，因此200多个这样的压痕可以很容易地穿过一根头发的宽度。

事实证明，当激光聚焦在这堆材料上时，原子显微镜工具产生的压痕会产生两种效果。首先，压痕在势能图中形成了一个井或凹陷。二硒化钨单层的电子落入凹陷处。这刺激了井中单光子流的发射。

纳米压痕还破坏了底层三硫化二磷镍晶体的典型磁性，产生了一个局部磁矩，从材料中指向上方。该磁矩使发射的光子产生圆极化。

为了在实验中证实这一机制，研究小组首先与位于洛斯阿拉莫斯的国家高磁场实验室脉冲磁场设备合作，进行了高磁场光学光谱实验。然后，研究小组与瑞士巴塞尔大学合作测量了局部磁矩的微小磁场。

实验证明，研究小组成功地展示了一种控制单光子流偏振态的新方法。

量子信息编码
研究小组目前正在探索如何通过施加电刺激或微波刺激来调节单光子的圆偏振程度。这种能力将为在光子流中编码量子信息提供一种方法。

进一步将光子流耦合到波导--微观的光导管--将提供允许光子单向传播的光子电路。这种电路将成为超安全量子互联网的基本构件。

 

参考资料

Xiangzhi Li et al, Proximity-induced chiral quantum light generation in strain-engineered WSe2/NiPS3 heterostructures, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7

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