美国LANL实验室利用量子光发射器产生单光子光源

2023-09-01 10:33

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发了一种量子光发射器的方法，这一方法将两种不同的原子薄材料堆叠在一起，以实现产生圆偏振单光子流的光源。这些光源又能够用于各种量子信息和通信应用。

根据洛斯阿拉莫斯的研究员Han Htoon说法，这项工作表明，单层半导体可以在不需要外部磁场的情况下发射圆偏振光。

“这种效果以前只能通过笨重的超导磁体产生的高磁场来实现，通过将量子发射器耦合到非常复杂的纳米级光子结构，或者通过向量子发射器注入自旋极化载流子来实现。我们的接近效应方法具有制造成本低和可靠性高的优势。”

偏振态是对光子进行编码的一种手段，因此该成果是量子密码学或量子通信方向上的重要一步。“有了一个产生单光子流并引入偏振的光源，我们基本上就把两个设备合二为一了。”

研究小组将一层单分子厚度的二硒化钨半导体堆叠在一层更厚的三硫化镍磷磁性半导体上。利用原子力显微镜，研究小组在薄层材料上创造了一系列纳米级的压痕。

当激光聚焦在材料堆上时，原子显微镜工具产生的直径400纳米的压痕有两种效果。首先，压痕形成一个“井”或“洼地”，在势能景观。二硒化钨单层的电子落在凹陷处。这就刺激了从阱中发射出一束单光子。

纳米压痕还破坏了底层三硫化镍磷晶体的典型磁性，产生了指向材料外的局部磁矩。这个磁矩使发射的光子圆极化。为了对这一机制进行实验证实，该团队首先与洛斯阿拉莫斯国家高磁场实验室的脉冲场设施合作，进行了高磁场光谱学实验。然后，该团队与瑞士巴塞尔大学合作，测量了当地磁矩的微小磁场。

该团队目前正在探索通过电子或微波刺激来调节单光子圆偏振程度的方法。这种能力将提供一种将量子信息编码到光子流中的方法。光子流与波导的进一步耦合将提供光子电路，使光子在一个方向上传播。这种电路将成为超安全量子互联网的基本组成部分。

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