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PHOTO: (a) L’illustration montre une pointe AFM indentant la structure TMD / polymère pour introduire une contrainte locale. (b) Emission de photon unique structurée dans WSe2 induite par l’indentation AFM des lettres «  NRL  » et …
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Crédit photo: US Naval Research Laboratory

WASHINGTON – Des scientifiques du US Naval Research Laboratory (NRL) et du Air Force Research Laboratory (AFRL) ont développé un moyen d’écrire des sources de lumière quantique, chacune émettant un photon lumineux unique, directement dans des semi-conducteurs monocouches tels que le diséléniure de tungstène (WSe2). Les émetteurs à photon unique (SPE), ou émetteurs quantiques, sont des composants clés de diverses technologies quantiques émergentes, notamment les ordinateurs, les communications sécurisées, la détection et la métrologie.

Contrairement aux diodes électroluminescentes conventionnelles, qui émettent des milliards de photons en même temps pour former un flux de lumière constant, une SPE idéale génère exactement un photon lorsque cela est nécessaire, de sorte que chaque photon ne peut pas être distingué d’un autre. Ces propriétés sont essentielles pour les technologies quantiques basées sur les photons qui sont en cours de développement. De plus, de telles capacités devraient être réalisées dans une plate-forme de matériaux qui permet un placement précis et répétable des SPE d’une manière entièrement évolutive qui est compatible avec la fabrication de puces à semi-conducteurs existantes.

Les scientifiques du LNR ont utilisé un microscope à force atomique (AFM) pour créer des fosses à l’échelle nanométrique, ou des dépressions, dans une seule monocouche WSe2 sur un substrat de film polymère. Un champ de déformation fortement localisé est créé autour de la nano indentation, ce qui crée l’état d’émetteur à photon unique dans WSe2. Des mesures en corrélation temporelle effectuées à l’AFRL de cette émission de lumière ont confirmé la vraie nature de photon unique de ces états. Ces émetteurs sont brillants, génèrent des taux de photons uniques élevés et sont spectralement stables. Ce sont les exigences les plus importantes pour les nouvelles applications.

« Cette calligraphie quantique permet le placement déterministe et la conception en temps réel de tout motif SPE pour un couplage facile avec des guides d’ondes photoniques, des cavités et des structures plasmoniques », a déclaré Berend Jonker, Ph.D., scientifique en chef et chercheur principal. « Nos résultats montrent également qu’une approche de nano-gaufrage dans la création de grands réseaux ou modèles d’émetteurs quantiques sera efficace pour créer des systèmes photoniques quantiques à l’échelle d’une tranche. »

Dr. Soulignant l’importance de cette découverte, Matthew Rosenberger, auteur principal de l’étude, explique: «Non seulement ces résultats permettent le placement polyvalent des SPE, mais ils fournissent également une méthode générale pour transmettre une contrainte à l’échelle nanométrique à deux dimensions ( Les matériaux 2D) sont un outil inestimable pour des recherches plus poussées et des applications futures de la technologie d’étirement des dispositifs 2D. « 

Les résultats de cette étude ouvrent la voie à l’utilisation de matériaux 2D comme hôtes à l’état solide pour des émetteurs de photons uniques dans des applications pertinentes pour la mission du ministère de la Défense (DoD), telles que les communications sécurisées, la détection et le calcul quantique. De telles applications permettent la communication entre des forces DoD distantes qui ne sont pas susceptibles d’être écoutées ou déchiffrées. C’est une condition préalable essentielle pour assurer la sécurité du combattant.

Le calcul quantique sur puce offre la possibilité à bord d’analyser rapidement de très grandes quantités de données qui ont été enregistrées par des matrices de capteurs, de sorte que l’ensemble de données n’ait pas à être transmis, ce qui réduit les besoins en bande passante. Les résultats de la recherche seront publiés en janvier 2019 ACS Nano (DOI: 10.1021 / acsnano.8b08730).

L’équipe de recherche était composée du Dr. Matthew Rosenberger, Dr. Hsun-Jen Chuang, Dr. Saujan Sivaram, Dr. Kathleen McCreary et Dr. Berend Jonker du département de science et technologie des matériaux du NRL. et Dr. Chandriker Kavir Dass et Dr. Joshua R. Hendrickson de la Direction des capteurs AFRL. Rosenberger et Sivaram ont tous deux des subventions du Conseil national de recherches (NRC) au LNR, et Chuang est titulaire d’une subvention de l’American Society for Engineering Education (ASEE) à la LNR.

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