Cientistas criaram um gerador de fótons semicondutor simples para comunicação quântica

Para comunicação quântica, criptografia e outros fins, são necessárias fontes de fótons únicos. Isto não é um problema, mas a solução requer equipamentos volumosos, incluindo os ímanes mais fortes. Cientistas dos Estados Unidos conseguiram simplificar a tarefa e até criar um dispositivo “dois em um” – ele emite simultaneamente fótons únicos e lhes dá polarização circular. Para transmitir dados codificados, basta adicionar um modulador e obter uma conexão totalmente segura na saída.

Fonte da Imagem: Laboratório Nacional de Los Alamos

Tradicionalmente, fontes de fótons polarizados únicos são geradas em um campo magnético forte. Isto não é ruim para laboratórios, mas é completamente inadequado para aplicações compactas. Um grupo de cientistas liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos criou um dispositivo que dispensa ímãs poderosos. Para fazer isso, os cientistas conectaram dois semicondutores atomicamente finos e fizeram marcas no superior.

O material superior é representado por uma camada de disseleneto de tungstênio (WSe2), e o material inferior, um pouco mais espesso, é um composto magnético de trissulfeto de níquel-fósforo (NiPS3). Dentes com diâmetro de cerca de 400 nm e profundidade de cerca de um nanômetro foram feitos usando um microscópio de força atômica. Cerca de 200 desses recessos podem caber facilmente em um corte de cabelo humano. Ondulações no material criam depressões não apenas físicas, mas também quedas de energia potencial no plano do material. Sob a ação de um laser, os elétrons do disseleneto de tungstênio fluem para essas depressões e sua interação gera fótons únicos.

Mas sob cada poço existe uma monocamada de material magnético, que define o vetor de polarização dos fótons emitidos pelo poço. Todos os fótons gerados por cada poço são dotados de polarização circular gratuita. E a presença de polarização é a chave para a transmissão de dados. Basta aprender a modular esta característica que, em geral, se resolve de forma relativamente simples. Se guias de ondas forem conectados a tal gerador, então os fluxos de fótons únicos polarizados e modulados podem ser direcionados para qualquer lugar – ainda mais em um microcircuito para realizar cálculos, até mesmo em um canal de comunicação óptica para transmissão para o outro lado da Terra.

«Nosso estudo mostra que um semicondutor monocamada pode emitir luz circularmente polarizada sem a ajuda de um campo magnético externo, dizem os autores. “Anteriormente, esse efeito só era alcançado usando campos magnéticos poderosos criados por ímãs supercondutores volumosos, acoplando emissores quânticos com estruturas fotônicas em nanoescala muito complexas ou injetando portadores polarizados por spin em emissores quânticos. A vantagem da nossa abordagem de interação de curto alcance é que ela é barata de fabricar e confiável.”

«Tendo uma fonte que permite gerar um fluxo de fótons únicos e simultaneamente introduzir a polarização, nós, de fato, combinamos dois dispositivos em um”, acrescentam os cientistas.