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Aug 28, 2023

新しい「凹んだ」コンポジットはオンデマンドでフォトンを「ねじる」ことができます

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ロスアラモス国立研究所の研究者らは、量子データ交換、特に暗号化にとって重要である可能性がある特定の種類の光子を生成する新しい方法の開発に成功した。 「円偏光」と呼ばれる特定の種類の光子は、これまでのところ、作成と制御が難しいことがわかっていますが、この新しい技術によりプロセスが容易になり、重要なことに、コストも安くなります。 これは、2つの異なる原子的に薄い材料を積み重ねて、予測可能な方法で光子を「ねじる」(偏光する)ことによって達成された、と研究チームは説明している。

「私たちの研究は、外部磁場の助けを借りずに単層半導体が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・トゥーン氏は説明した。 「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。 私たち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。」と彼は付け加えた。

偏光状態は生成された光子を効果的に「符号化」するため、これは量子暗号化と通信にとって重要なステップとなります。 「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、我々は基本的に 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。

これを達成するために、統合ナノテクノロジーセンターの研究チームは、原子間力顕微鏡を使用して、材料の積み重ねに一連のナノメートルスケールのくぼみ、つまり「くぼみ」を作成しました。 このスタックは、三硫化ニッケルリン磁性半導体のより厚い層の上に、単一分子の厚さの二セレン化タングステン半導体の層を積層したものでした。 直径約 400 ナノメートルのくぼみを作ると、人間の髪の毛の幅に 200 個以上のくぼみができます。

研究者らはその後、「へこみ」によって二セレン化タングステンが個々の光粒子（フォトン）を放出することを発見した。 また、放出された光子に特別なねじれ (「円偏光」) を与えるような方法で、底部の材料の磁気特性も変化させたことが判明しました。

このメカニズムを確認するために、研究チームは国立高磁場研究所と光学分光実験を実施し、バーゼル大学と局所磁気モーメントの磁場を測定しました。 そうすることで、チームは実験で単一光子流の偏光を制御する新しい方法を実証することに成功した。 かなり印象的な偉業です！

研究チームは今後、理論的には量子情報を光子流にエンコードできる電気またはマイクロ波刺激を使用して、単一光子の「円偏光」の度合いを変調する方法を模索している。 導波路と呼ばれる微細な光の導管によって、光子流の結合が可能になり、光子回路が形成される可能性もあります。 実現可能であれば、これらの「回路」は超安全な量子インターネットの基盤を形成する可能性があります。

Nature Materials 誌でこの研究を自分で見ることができます。

研究概要:

円偏光と非古典統計を使用して単一光子を生成できる量子発光体は、量子ネットワークの非相反単一光子デバイスと決定論的なスピン光子界面を可能にする可能性があります。 現在まで、このようなキラル量子光の放出は、強力な外部磁場の印加、スピン偏極キャリア/励起子の電気的/光学的注入、または複雑なフォトニックメタ構造との結合に依存しています。 今回我々は、ゼロ外部磁場における単層WSe2/NiPS3ヘテロ構造のナノインデンテーションによる自由空間キラル量子発光体の作製を報告する。 これらの量子光エミッターは、ポンプ レーザーの偏光とは無関係に、高度な円偏光 (0.89) および単一光子純度 (95%) で発光します。 走査型ダイヤモンド窒素空孔顕微鏡法と温度依存性磁気フォトルミネッセンス研究により、カイラル量子発光は、WSe2単層内の局在励起子とNiPS3の反強磁性秩序における欠陥の面外磁化との間の磁気近接相互作用から生じることが明らかになった。両方とも、ナノスケールのくぼみに関連するひずみ場によって共局在化されます。