Novo compósito ‘amassado’ pode ‘torcer’ fótons sob demanda

Laboratório Nacional de Los Alamos

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Pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos desenvolveram com sucesso uma nova maneira de produzir um tipo específico de fóton que pode ser crítico para a troca de dados quânticos, principalmente a criptografia. O tipo específico de fótons, chamado de “luz circularmente polarizada”, até agora tem se mostrado um desafio para criar e controlar, mas esta nova técnica torna o processo mais fácil e, mais importante, mais barato. Isto foi conseguido, explica a equipe, empilhando dois materiais diferentes, atomicamente finos, para “torcer” (polarizar) os fótons de uma forma previsível.

“Nossa pesquisa mostra que é possível que um semicondutor monocamada emita luz circularmente polarizada sem a ajuda de um campo magnético externo”, explicou Han Htoon, cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos. “Este efeito só foi alcançado antes com campos magnéticos elevados criados por ímãs supercondutores volumosos, acoplando emissores quânticos a estruturas fotônicas em nanoescala muito complexas ou injetando portadores polarizados por spin em emissores quânticos. Nossa abordagem de efeito de proximidade tem a vantagem de fabricação e confiabilidade de baixo custo", acrescentou.

O estado de polarização “codifica” efetivamente os fótons gerados, tornando esta uma etapa crucial para a criptografia e comunicação quântica. “Com uma fonte para gerar um fluxo de fótons únicos e também introduzir polarização, combinamos essencialmente dois dispositivos em um”, disse Htoon.

Para conseguir isso, a equipe de pesquisa do Centro de Nanotecnologias Integradas usou microscopia de força atômica para criar uma série de reentrâncias em escala nanométrica, ou "amassados", na pilha de materiais. A pilha consistia em uma camada de semicondutor de disseleneto de tungstênio com a espessura de uma única molécula empilhada sobre uma camada mais espessa de semicondutor magnético de trissulfeto de níquel e fósforo. Cada um dos recortes de aproximadamente 400 nanômetros de diâmetro feitos caberia em mais de 200 na largura de um fio de cabelo humano.

Os pesquisadores descobriram então que as “amassadas” faziam com que o disseleneto de tungstênio emitisse partículas de luz individuais (fótons). Descobriu-se que eles também alteraram as propriedades magnéticas do material inferior de tal forma que deram aos fótons emitidos uma torção especial ("polarização circular").

Para confirmar este mecanismo, a equipe conduziu experimentos de espectroscopia óptica com o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético e mediu o campo magnético dos momentos magnéticos locais com a Universidade de Basileia. Ao fazer isso, a equipe demonstrou com sucesso um novo método de controle da polarização do fluxo de fótons únicos nos experimentos. Um feito impressionante!

Seguindo em frente, a equipe está explorando maneiras de modular o grau de “polarização circular” de fótons únicos usando estímulos elétricos ou de micro-ondas que poderiam, teoricamente, codificar informações quânticas no fluxo de fótons. Conduítes microscópicos de luz chamados guias de onda também poderiam permitir o acoplamento do fluxo de fótons, criando circuitos fotônicos. Se possível, esses “circuitos” poderão formar as bases de uma Internet quântica ultrassegura.

Você pode ver o estudo na revista Nature Materials.

Resumo do estudo:

Emissores de luz quântica capazes de gerar fótons únicos com polarização circular e estatísticas não clássicas poderiam permitir dispositivos não recíprocos de fóton único e interfaces determinísticas de spin-fóton para redes quânticas. Até o momento, a emissão dessa luz quântica quiral depende da aplicação de campos magnéticos externos intensos, injeção elétrica/óptica de portadores/excitons polarizados por spin ou acoplamento com metaestruturas fotônicas complexas. Aqui relatamos a criação de emissores de luz quântica quirais de espaço livre através da nanoindentação de heteroestruturas monocamadas WSe2 / NiPS3 em campo magnético externo zero. Esses emissores de luz quântica emitem com alto grau de polarização circular (0,89) e pureza de fóton único (95%), independente da polarização do laser da bomba. Microscopia de varredura de nitrogênio-vacância de diamante e estudos de magneto-fotoluminescência dependentes de temperatura revelam que a emissão de luz quântica quiral surge de interações de proximidade magnética entre excitons localizados na monocamada WSe2 e a magnetização fora do plano de defeitos na ordem antiferromagnética de NiPS3, ambos são co-localizados por campos de deformação associados às indentações em nanoescala.