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Aug 28, 2023

Un nuevo compuesto 'abollado' puede 'torcer' fotones según sea necesario

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Laboratorio Nacional de Los Álamos

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Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos han desarrollado con éxito una nueva forma de producir un tipo específico de fotón que podría resultar fundamental para el intercambio de datos cuánticos, en particular el cifrado. Hasta ahora ha resultado difícil crear y controlar el tipo específico de fotones, llamado "luz polarizada circularmente", pero esta nueva técnica hace que el proceso sea más fácil y, lo que es más importante, más barato. Esto se logró, explica el equipo, apilando dos materiales diferentes, atómicamente delgados, para "torcer" (polarizar) los fotones de una manera predecible.

"Nuestra investigación muestra que es posible que un semiconductor monocapa emita luz polarizada circularmente sin la ayuda de un campo magnético externo", explicó Han Htoon, científico del Laboratorio Nacional de Los Álamos. “Este efecto sólo se había logrado antes con campos magnéticos elevados creados por imanes superconductores voluminosos, acoplando emisores cuánticos a estructuras fotónicas a nanoescala muy complejas o inyectando portadores polarizados por espín en emisores cuánticos. Nuestro enfoque de efecto de proximidad tiene la ventaja de un bajo costo de fabricación y confiabilidad", añadió.

El estado de polarización "codifica" efectivamente los fotones generados, lo que lo convierte en un paso crucial para la criptografía y la comunicación cuánticas. "Con una fuente para generar un flujo de fotones individuales y también introducir polarización, básicamente hemos combinado dos dispositivos en uno", dijo Htoon.

Para lograr esto, el equipo de investigación del Centro de Nanotecnologías Integradas utilizó microscopía de fuerza atómica para crear una serie de hendiduras o "abolladuras" a escala nanométrica en la pila de materiales. La pila consistía en una capa de una sola molécula de semiconductor de diseleniuro de tungsteno apilada sobre una capa más gruesa de semiconductor magnético de trisulfuro de níquel y fósforo. Cada una de las hendiduras de aproximadamente 400 nanómetros de diámetro realizadas cabrían más de 200 en el ancho de un cabello humano.

Luego, los investigadores descubrieron que las "abolladuras" hacían que el diseleniuro de tungsteno emitiera partículas de luz individuales (fotones). Resultó que también cambiaron las propiedades magnéticas del material del fondo de tal manera que dio a los fotones emitidos un giro especial ("polarización circular").

Para confirmar este mecanismo, el equipo realizó experimentos de espectroscopía óptica con el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético y midió el campo magnético de los momentos magnéticos locales con la Universidad de Basilea. Al hacerlo, el equipo demostró con éxito en los experimentos un nuevo método para controlar la polarización de la corriente de fotón único. ¡Una hazaña bastante impresionante!

En el futuro, el equipo está explorando formas de modular el grado de "polarización circular" de fotones individuales utilizando estímulos eléctricos o de microondas que, en teoría, podrían codificar información cuántica en el flujo de fotones. Los conductos microscópicos de luz llamados guías de ondas también podrían permitir el acoplamiento del flujo de fotones, creando circuitos fotónicos. Si es posible, estos "circuitos" podrían formar las bases de una Internet cuántica ultrasegura.

Puede ver el estudio usted mismo en la revista Nature Materials.

Resumen del estudio:

Los emisores de luz cuántica capaces de generar fotones individuales con polarización circular y estadísticas no clásicas podrían habilitar dispositivos de fotón único no recíprocos e interfaces deterministas espín-fotón para redes cuánticas. Hasta la fecha, la emisión de dicha luz cuántica quiral se basa en la aplicación de intensos campos magnéticos externos, la inyección eléctrica/óptica de portadores/excitones polarizados por espín o el acoplamiento con metaestructuras fotónicas complejas. Aquí informamos la creación de emisores de luz cuánticos quirales en el espacio libre mediante la nanoindentación de heteroestructuras monocapa WSe2/NiPS3 en un campo magnético externo cero. Estos emisores de luz cuántica emiten con un alto grado de polarización circular (0,89) y pureza de fotón único (95%), independientemente de la polarización del láser de la bomba. La microscopía de nitrógeno vacante de barrido con diamante y los estudios de magnetofotoluminiscencia dependiente de la temperatura revelan que la emisión de luz cuántica quiral surge de interacciones de proximidad magnética entre excitones localizados en la monocapa WSe2 y la magnetización fuera del plano de defectos en el orden antiferromagnético de NiPS3. ambos co-localizados por campos de tensión asociados con las hendiduras a nanoescala.