LANL: 新しい量子デバイスが単一光子を生成し、情報をエンコードする

単層半導体と反強磁性結晶という2つの異なる層状材料のスタック内に凹んだ井戸内に形成され、キラル量子発光が材料から立ち上がり、量子情報および通信用途に使用できる可能性がある。 写真提供：LANL

LANL ニュース リリース量子発光体への新しいアプローチは、円偏光した単一光子または光の粒子の流れを生成し、これはさまざまな量子情報および通信アプリケーションに役立つ可能性があります。 ロスアラモス国立研究所のチームは、このキラル量子光源を実現するために、2 つの異なる原子的に薄い材料を積層しました。

「私たちの研究は、単層半導体が外部磁場の助けなしで円偏光を放射することが可能であることを示しています」とロスアラモス国立研究所の科学者ハン・トゥーン氏は述べた。 「この効果は、量子エミッターを非常に複雑なナノスケールのフォトニクス構造に結合するか、量子エミッターにスピン偏極したキャリアを注入することによって、かさばる超伝導磁石によって生成される高磁場によってのみ達成されました。 当社の近接効果アプローチには、低コストの製造と信頼性という利点があります。

「偏光状態は光子を符号化する手段であるため、この成果は量子暗号や量子通信の方向への重要な一歩となります。 単一光子のストリームを生成し、偏光を導入するソースを使用して、基本的に 2 つのデバイスを 1 つに組み合わせました」と Htoon 氏は述べています。

Nature Materials に記載されているように、研究チームは統合ナノテクノロジーセンターで、二セレン化タングステン半導体の単一分子の厚さの層を、三硫化ニッケルリン磁性半導体のより厚い層の上に積層しました。 博士研究員である Xiangzhi Li 氏は、原子間力顕微鏡を使用して、材料の薄いスタック上に一連のナノメートルスケールのくぼみを作成しました。 くぼみの直径は約 400 ナノメートルなので、このようなくぼみが 200 個以上あれば、人間の髪の毛の幅に簡単に収まります。

原子顕微鏡ツールによって作成されたくぼみは、レーザーが材料のスタックに焦点を合わせたときに 2 つの効果に役立つことが判明しました。 まず、このくぼみにより、位置エネルギーのランドスケープに井戸、つまりくぼみが形成されます。 二セレン化タングステン単層の電子がくぼみに落ちます。 これにより、井戸からの単一光子の流れの放出が刺激されます。

また、ナノインデンテーションは、その下にある三硫化ニッケルリン結晶の典型的な磁気特性を破壊し、材料から上を向く局所的な磁気モーメントを生成します。 その磁気モーメントは、放出される光子を円偏光させます。 このメカニズムを実験的に確認するために、研究チームはまず、ロスアラモスにある国立高磁場研究所のパルス場施設と協力して、高磁場光学分光実験を実施しました。 次にチームは、スイスのバーゼル大学と協力して、局所磁気モーメントの微小磁場を測定しました。 この実験により、チームが単一光子流の偏光状態を制御する新しいアプローチを実証することに成功したことが証明されました。

研究チームは現在、電気またはマイクロ波刺激を加えて単一光子の円偏光度を調整する方法を研究している。 この機能は、量子情報を光子ストリームにエンコードする方法を提供します。 光子流を導波路（微細な光の導管）にさらに結合すると、一方向への光子の伝播を可能にする光子回路が提供される。 このような回路は、超安全な量子インターネットの基本的な構成要素となるでしょう。

紙： 「ひずみ処理されたWSe2/NiPS3ヘテロ構造における近接誘起キラル量子光生成」 自然素材。

DOI: 10.1038/s41563-023-01645-7