Un nouveau composite « bosselé » peut « tordre » les photons à la demande

Laboratoire national de Los Alamos

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Des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont réussi à développer une nouvelle façon de produire un type spécifique de photon qui pourrait s'avérer essentiel pour l'échange de données quantiques, notamment le chiffrement. Le type spécifique de photons, appelé « lumière polarisée circulairement », s'est jusqu'à présent révélé difficile à créer et à contrôler, mais cette nouvelle technique rend le processus plus facile et, surtout, moins cher. Ceci a été réalisé, explique l'équipe, en empilant deux matériaux atomiquement minces différents pour « tordre » (polariser) les photons de manière prévisible.

"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 expliqué Han Htoon, scientifique au Laboratoire national de Los Alamos. "Cet effet n'a été obtenu auparavant qu'avec des champs magnétiques élevés créés par des aimants supraconducteurs volumineux, en couplant des émetteurs quantiques à des structures photoniques nanométriques très complexes, ou en injectant des porteurs polarisés en spin dans des émetteurs quantiques. Notre approche à effet de proximité présente l'avantage d'une fabrication et d'une fiabilité à faible coût", a-t-il ajouté.

L’état de polarisation « code » efficacement les photons générés, ce qui en fait une étape cruciale pour la cryptographie et la communication quantiques. "Avec une source permettant de générer un flux de photons uniques et d'introduire également la polarisation, nous avons essentiellement combiné deux dispositifs en un", a déclaré Htoon.

Pour y parvenir, l'équipe de recherche du Centre de nanotechnologies intégrées a utilisé la microscopie à force atomique pour créer une série d'indentations à l'échelle nanométrique, ou « bosses », sur l'empilement de matériaux. L’empilement était constitué d’une couche d’épaisseur d’une seule molécule de semi-conducteur au diséléniure de tungstène empilée sur une couche plus épaisse de semi-conducteur magnétique au trisulfure de nickel-phosphore. Chacune des indentations d'environ 400 nanomètres de diamètre réalisées s'adapterait à plus de 200 sur la largeur d'un cheveu humain.

Les chercheurs ont ensuite découvert que les « bosses » provoquaient l’émission par le diséléniure de tungstène de particules lumineuses individuelles (photons). Il s’est également avéré qu’ils ont modifié les propriétés magnétiques du matériau du fond de telle manière qu’il a donné aux photons émis une torsion particulière (« polarisation circulaire »).

Pour confirmer ce mécanisme, l'équipe a mené des expériences de spectroscopie optique avec le Laboratoire national des champs magnétiques élevés et a mesuré le champ magnétique des moments magnétiques locaux avec l'Université de Bâle. Ce faisant, l’équipe a réussi à démontrer une nouvelle méthode de contrôle de la polarisation du flux de photons uniques dans les expériences. Un exploit assez impressionnant !

À l’avenir, l’équipe explore des moyens de moduler le degré de « polarisation circulaire » de photons uniques à l’aide de stimuli électriques ou micro-ondes qui pourraient, en théorie, coder des informations quantiques dans le flux de photons. Des conduits de lumière microscopiques appelés guides d’ondes pourraient également permettre le couplage du flux de photons, créant ainsi des circuits photoniques. Si cela est réalisable, ces « circuits » pourraient constituer les fondations d’un Internet quantique ultra-sécurisé.

Vous pouvez consulter l’étude par vous-même dans la revue Nature Materials.

Résumé de l'étude :

Des émetteurs de lumière quantique capables de générer des photons uniques avec une polarisation circulaire et des statistiques non classiques pourraient permettre des dispositifs non réciproques à photon unique et des interfaces déterministes spin-photon pour les réseaux quantiques. À ce jour, l’émission d’une telle lumière quantique chirale repose sur l’application de champs magnétiques externes intenses, l’injection électrique/optique de porteurs/excitons polarisés en spin ou le couplage avec des métastructures photoniques complexes. Nous rapportons ici la création d’émetteurs de lumière quantique chiraux en espace libre via la nanoindentation d’hétérostructures monocouches WSe2/NiPS3 à champ magnétique externe nul. Ces émetteurs de lumière quantique émettent avec un degré élevé de polarisation circulaire (0,89) et une pureté monophotonique (95 %), indépendamment de la polarisation du laser de pompe. La microscopie à balayage des lacunes d'azote au diamant et les études de magnéto-photoluminescence dépendantes de la température révèlent que l'émission de lumière quantique chirale résulte d'interactions de proximité magnétique entre des excitons localisés dans la monocouche WSe2 et de l'aimantation hors plan de défauts dans l'ordre antiferromagnétique de NiPS3, qui sont tous deux co-localisés par des champs de déformation associés aux indentations à l'échelle nanométrique.