LANL: 새로운 양자 장치가 단일 광자를 생성하고 정보를 인코딩합니다.

단층 반도체와 반강자성 결정이라는 두 개의 서로 다른 층으로 된 물질의 스택에 움푹 들어간 우물 내에 형성되면 키랄 양자 광 방출이 물질 밖으로 상승하여 양자 정보 및 통신 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 사진 제공: LANL

LANL NEWS RELEASEA 양자 발광기에 대한 새로운 접근 방식은 다양한 양자 정보 및 통신 응용 분야에 유용할 수 있는 원형 편광 단일 광자 또는 빛 입자의 흐름을 생성합니다. Los Alamos National Laboratory 팀은 이 키랄 양자 광원을 실현하기 위해 원자적으로 얇은 두 가지 재료를 적층했습니다.

로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)의 과학자인 Han Htoon은 “우리의 연구는 단층 반도체가 외부 자기장의 도움 없이 원형 ​​편광을 방출하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다. “이 효과는 부피가 큰 초전도 자석에 의해 생성된 높은 자기장, 매우 복잡한 나노크기 포토닉스 구조에 양자 방출기를 결합하거나 양자 방출기에 스핀 편극 캐리어를 주입함으로써 이전에만 달성되었습니다. 우리의 근접 효과 접근 방식은 저비용 제작 및 신뢰성이라는 장점이 있습니다.

“분극 상태는 광자를 인코딩하는 수단이므로 이번 성과는 양자 암호학이나 양자 통신 방향에서 중요한 단계입니다. 단일 광자 스트림을 생성하고 편광을 도입하는 소스를 통해 우리는 기본적으로 두 장치를 하나로 결합했습니다.”라고 Htoon은 말했습니다.

Nature Materials에 설명된 대로, 연구팀은 통합 나노기술 센터에서 단일 분자 두께의 텅스텐 이셀레나이드 반도체 층을 더 두꺼운 니켈 인 삼황화물 자기 반도체 층 위에 쌓았습니다. 박사후 연구원인 Xiangzhi Li는 원자현미경을 사용하여 얇은 재료 스택에 일련의 나노미터 규모의 들여쓰기를 만들었습니다. 움푹 들어간 부분의 직경은 약 400나노미터이므로 200개가 넘는 움푹 들어간 부분이 사람의 머리카락 너비에 쉽게 들어갈 수 있습니다.

원자현미경 도구에 의해 생성된 움푹 들어간 부분은 레이저가 재료 스택에 초점을 맞출 때 두 가지 효과에 유용한 것으로 입증되었습니다. 첫째, 들여쓰기는 위치 에너지 환경에서 우물 또는 함몰을 형성합니다. 텅스텐 디셀레나이드 단층의 전자는 함몰된 부분으로 떨어집니다. 이는 우물에서 단일 광자 흐름의 방출을 자극합니다.

또한 나노압입은 밑에 있는 삼황화인삼황화니켈 결정의 일반적인 자기 특성을 방해하여 재료 밖으로 향하는 국소 자기 모멘트를 생성합니다. 그 자기 모멘트는 방출되는 광자를 원형으로 편광시킵니다. 이 메커니즘에 대한 실험적 확인을 제공하기 위해 팀은 먼저 Los Alamos에 있는 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)의 펄스 필드 시설(Pulsed Field Facility)과 협력하여 고자기장 광학 분광학 실험을 수행했습니다. 이후 연구팀은 스위스 바젤대학교와 공동으로 국부 자기 모멘트의 미세 자기장을 측정했다. 실험은 팀이 단일 광자 흐름의 편광 상태를 제어하는 ​​새로운 접근 방식을 성공적으로 시연했음을 입증했습니다.

연구팀은 현재 전기 또는 마이크로파 자극을 적용하여 단일 광자의 원형 편광 정도를 조절하는 방법을 모색하고 있습니다. 이 기능은 양자 정보를 광자 흐름으로 인코딩하는 방법을 제공합니다. 광자 흐름을 미세한 빛의 도관인 도파관에 추가로 결합하면 광자가 한 방향으로 전파될 수 있는 광자 회로가 제공됩니다. 이러한 회로는 초보안 양자 인터넷의 기본 구성 요소가 될 것입니다.

종이: “스트레인 엔지니어링된 WSe2/NiPS3 이종구조에서 근접 유도 키랄 양자광 생성.” 자연재료.

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7