Une nouvelle approche des émetteurs de lumière quantique génère un flux de photons uniques ou de particules de lumière à polarisation circulaire, qui pourraient être utiles pour une gamme d’applications d’information et de communication quantiques. Une équipe du laboratoire national de Los Alamos a empilé deux matériaux atomiquement minces différents pour obtenir cette source de lumière quantique chirale.

« Nos recherches montrent qu’il est possible pour un semi-conducteur monocouche d’émettre une lumière polarisée circulairement sans l’aide d’un champ magnétique externe », a déclaré Han Hutun, scientifique au Laboratoire national de Los Alamos.

« Cet effet n’a été obtenu auparavant que grâce à des champs magnétiques élevés créés par des aimants supraconducteurs surdimensionnés, en couplant des émetteurs quantiques à des nanostructures photoniques très complexes ou en injectant des porteurs polarisés en spin dans des émetteurs quantiques. L’approche par effet de proximité présente un avantage particulier. Nous avons l’avantage de coût de fabrication et fiabilité à faible impact.

L’état de polarisation est un moyen de coder un photon, cette réalisation constitue donc une étape importante vers la cryptographie quantique ou la communication quantique.

« Avec une source permettant de générer un flux de photons uniques et d’introduire également la polarisation, nous avons essentiellement combiné deux appareils en un seul », a déclaré Hutton.

Photoluminescence de la clé d’indentation

Comme décrit dans matériaux naturelsL’équipe de recherche du Centre de nanotechnologie intégrée a empilé une couche épaisse d’une seule molécule de semi-conducteur au diséléniure de tungstène sur une couche plus épaisse de semi-conducteur magnétique au trisulfure de nickel-phosphore. Xiangzi Li, associé de recherche postdoctoral, a utilisé la microscopie à force atomique pour créer une série d’indentations à l’échelle nanométrique sur une fine pile de matériau.

Ces indentations ont un diamètre d’environ 400 nanomètres, ce qui permet de réaliser facilement plus de 200 de ces indentations de la largeur d’un cheveu humain.

Les indentations créées par l’instrument de microscopie atomique se sont révélées utiles pour deux effets lorsque le laser est focalisé sur la pile de matériaux. Premièrement, l’indentation forme un puits, ou dépression, dans le paysage énergétique potentiel. Les électrons de la monocouche de diséléniure de tungstène sont situés dans la dépression. Cela stimule l’émission d’un flux de photons uniques depuis le puits.

La nano-dentelure perturbe également les propriétés magnétiques typiques d’un cristal de trisulfure de nickel-phosphore, créant un moment magnétique local qui pointe vers l’extérieur du matériau. Ce moment magnétique polarise circulairement les photons émis.

Pour fournir une confirmation expérimentale de ce mécanisme, l’équipe a d’abord mené des expériences de spectroscopie optique à champ magnétique élevé en collaboration avec l’installation nationale de champ d’impulsion du National High Magnetic Field Laboratory à Los Alamos. L’équipe a ensuite mesuré le champ magnétique précis des moments magnétiques locaux en collaboration avec l’Université de Bâle en Suisse.

Les expériences ont démontré que l’équipe avait réussi à démontrer une nouvelle méthode pour contrôler l’état de polarisation d’un flux de photons uniques.

Codage de l’information quantique

L’équipe explore actuellement des moyens de modifier le degré de polarisation circulaire de photons uniques à l’aide de stimuli électriques ou micro-ondes. Cette capacité permettrait de coder des informations quantiques dans un flux de photons.

Couplage du flux de photons dans des guides d’ondes (canaux de lumière microscopiques) fournissant des circuits photoniques qui permettent aux photons de se propager dans une direction. De tels circuits constitueront les éléments constitutifs d’un Internet quantique ultra-sécurisé.