Une équipe internationale dirigée par Alexander Holleitner et Jonathan Finley, physiciens à l'Université technique de Munich (TUM), a réussi à placer des sources lumineuses dans des couches de matériaux atomiquement minces avec une précision de quelques nanomètres seulement. La nouvelle méthode permet une multitude d'applications dans les technologies quantiques, des capteurs quantiques et transistors dans les smartphones aux nouvelles technologies de cryptage pour la transmission de données.

Les circuits précédents sur puces reposent sur les électrons comme supports d'information. À l'avenir, les photons qui transmettent des informations à la vitesse de la lumière pourront assumer cette tâche dans les circuits optiques. Sources lumineuses quantiques, qui sont ensuite connectés avec des câbles à fibres optiques quantiques et des détecteurs sont nécessaires comme éléments de base pour ces nouvelles puces.

Une équipe internationale dirigée par les physiciens du TUM Alexander Holleitner et Jonathan Finley a maintenant réussi à créer de telles sources de lumière quantique dans des couches de matériaux atomiquement minces et à les placer avec une précision nanométrique.

Premier pas vers les ordinateurs quantiques optiques

"Cela constitue une première étape clé vers les ordinateurs quantiques optiques, " dit Julien Klein, auteur principal de l'étude. "Parce que pour les applications futures les sources lumineuses doivent être couplées à des circuits photoniques, guides d'ondes par exemple, afin de rendre possibles les calculs quantiques basés sur la lumière."

Le point critique ici est le placement exact et contrôlable avec précision des sources lumineuses. Il est possible de créer des sources lumineuses quantiques dans des matériaux tridimensionnels classiques comme le diamant ou le silicium, mais ils ne peuvent pas être précisément placés dans ces matériaux.

Défauts déterministes

Les physiciens ont ensuite utilisé une couche de bisulfure de molybdène semi-conducteur (MoS 2 ) comme matière première, seulement trois atomes d'épaisseur. Ils l'ont irradié avec un faisceau d'ions hélium qu'ils ont focalisé sur une surface inférieure à un nanomètre.

Afin de générer des défauts optiquement actifs, les sources lumineuses quantiques souhaitées, des atomes de molybdène ou de soufre sont précisément martelés hors de la couche. Les imperfections sont des pièges à soi-disant excitons, paires électron-trou, qui émettent alors les photons souhaités.

Techniquement, le nouveau microscope à ions hélium du Centre de nanotechnologie et de nanomatériaux de l'Institut Walter Schottky, qui peut être utilisé pour irradier un tel matériau avec une résolution latérale inégalée, était d'une importance capitale pour cela.

En route vers de nouvelles sources lumineuses

En collaboration avec des théoriciens de TUM, la Société Max Planck, et l'Université de Brême, l'équipe a développé un modèle qui décrit également les états d'énergie observés aux imperfections en théorie.

À l'avenir, les chercheurs souhaitent également créer des motifs de sources lumineuses plus complexes, dans des structures latérales en treillis bidimensionnel par exemple, afin de rechercher ainsi également des phénomènes multi-excitons ou des propriétés de matériaux exotiques.

C'est la porte expérimentale vers un monde qui n'a longtemps été décrit qu'en théorie dans le contexte du modèle dit de Bose-Hubbard qui cherche à rendre compte de processus complexes dans les solides.

Capteurs quantiques, transistors et cryptage sécurisé

Et il peut y avoir des progrès non seulement en théorie, mais aussi en ce qui concerne les évolutions technologiques possibles. Étant donné que les sources lumineuses ont toujours le même défaut sous-jacent dans le matériau, ils sont théoriquement indiscernables. Cela permet des applications basées sur le principe de la mécanique quantique de l'intrication.

"Il est possible d'intégrer très élégamment nos sources lumineuses quantiques dans des circuits photoniques, " dit Klein. " En raison de la haute sensibilité, par exemple, il est possible de construire des capteurs quantiques pour smartphones et de développer des technologies de cryptage extrêmement sécurisées pour la transmission de données. »