Des chercheurs de Columbia Engineering et de l'Université d'État du Montana rapportent aujourd'hui qu'ils ont découvert qu'une contrainte suffisante dans un matériau 2D, le diséléniure de tungstène (WSe2), crée des états localisés pouvant produire des émetteurs de photons uniques. En utilisant des techniques sophistiquées de microscopie optique développées à Columbia au cours des trois dernières années, l'équipe a pu pour la première fois directement imager ces états, révélant que même à température ambiante, ils sont hautement accordables et agissent comme des points quantiques, morceaux de semi-conducteurs étroitement confinés qui émettent de la lumière.

"Notre découverte est très excitante, car cela signifie que nous pouvons désormais positionner un émetteur monophotonique où nous voulons, et régler ses propriétés, comme la couleur du photon émis, simplement en pliant ou en tendant le matériau à un endroit spécifique, " dit James Schuck, professeur agrégé de génie mécanique, qui a codirigé l'étude publiée aujourd'hui par Nature Nanotechnologie . "Savoir exactement où et comment régler l'émetteur à photon unique est essentiel pour créer des circuits optiques quantiques à utiliser dans les ordinateurs quantiques, ou même dans des simulateurs dits « quantiques » qui imitent des phénomènes physiques bien trop complexes pour être modélisés avec les ordinateurs d'aujourd'hui."

Le développement de technologies quantiques telles que les ordinateurs quantiques et les capteurs quantiques est un domaine de recherche en développement rapide alors que les chercheurs découvrent comment utiliser les propriétés uniques de la physique quantique pour créer des dispositifs qui peuvent être beaucoup plus efficaces, plus rapide, et plus sensible que les technologies existantes. Par exemple, les informations quantiques (pensez aux messages cryptés) seraient beaucoup plus sécurisées.

La lumière est constituée de paquets d'énergie discrets appelés photons, et les technologies quantiques basées sur la lumière reposent sur la création et la manipulation de photons individuels. "Par exemple, un pointeur laser vert typique émet plus de 1016 (10 quadrillions) de photons chaque seconde en appuyant simplement sur un bouton, " note Nicholas Borys, professeur adjoint de physique à la Montana State University et co-PI de cette nouvelle étude. "Mais développer des appareils capables de produire un seul photon contrôlable en appuyant simplement sur un interrupteur est extrêmement difficile."

Les chercheurs savent depuis cinq ans que des émetteurs à photons uniques existent dans les matériaux 2D ultrafins. Leur découverte a été accueillie avec beaucoup d'enthousiasme car les émetteurs à photon unique dans les matériaux 2D peuvent être plus facilement réglés, et plus facilement intégrables dans les appareils, que la plupart des autres émetteurs à photon unique. Mais personne n'a compris les propriétés matérielles sous-jacentes qui conduisent à l'émission de photons uniques dans ces matériaux 2-D. "Nous savions que les émetteurs à photons uniques existaient, mais nous ne savions pas pourquoi, " dit Schuck.

En 2019 un papier est sorti du groupe de Frank Jahnke, professeur à l'Institut de physique théorique de l'Université de Brême, Allemagne, qui a théorisé comment la contrainte dans une bulle peut conduire à des rides et à des états localisés pour l'émission d'un seul photon. Schuck, qui se concentre sur les phénomènes de détection et d'ingénierie émergeant des nanostructures et des interfaces, a immédiatement été intéressé par une collaboration avec Jahnke. Lui et Borys voulaient se concentrer sur le minuscule, des rides à l'échelle nanométrique qui se forment sous la forme de beignets autour des bulles qui existent dans ces couches 2D ultrafines. Les bulles, généralement de petites poches de fluide ou de gaz qui sont piégées entre deux couches de matériaux 2D, créer une tension dans le matériau et conduire au froissement.

le groupe de Schuck, et le domaine des matériaux 2D, face à un défi majeur dans l'étude des origines de ces émetteurs de photons uniques :les régions tendues à l'échelle nanométrique, qui émettent la lumière d'intérêt, sont beaucoup plus petits—environ 50, 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain, ce qui peut être résolu avec n'importe quel microscope optique conventionnel.

« Cela rend difficile de comprendre ce qui, spécifiquement dans le matériau, entraîne l'émission d'un seul photon :est-ce juste la contrainte élevée ? Est-ce dû à des défauts cachés dans la région contrainte ? » dit l'auteur principal de l'étude, Tom Darlington, qui est post-doctorant et ancien chercheur diplômé chez Schuck. "Vous avez besoin de lumière pour observer ces états, mais leurs tailles sont si petites qu'elles ne peuvent pas être étudiées avec des microscopes standard."

En collaboration avec d'autres laboratoires du Columbia Nano Institute, l'équipe s'est appuyée sur leur expertise de plusieurs décennies dans la recherche à l'échelle nanométrique. Ils ont utilisé des techniques sophistiquées de microscopie optique, y compris leur nouvelle capacité de microscopie, ne pas regarder seulement les nano-bulles, mais même à l'intérieur d'eux. Leurs techniques avancées de microscopie "nano-optique" - leurs "nanoscopes" - leur ont permis d'imager ces matériaux avec une résolution d'environ 10 nm, par rapport à une résolution d'environ 500 nm pouvant être obtenue avec un microscope optique conventionnel.

De nombreux chercheurs ont pensé que les défauts sont à l'origine des émetteurs de photons uniques dans les matériaux 2D, car ils sont généralement en matériaux 3-D tels que le diamant. Pour exclure le rôle des défauts et montrer que la contrainte seule pourrait être responsable des émetteurs de photons uniques dans les matériaux 2D, Le groupe de Schuck a étudié les matériaux à très faible défaut développés par le groupe de Jim Hone à Columbia Engineering, fait partie du Materials Research Science and Engineering Center, financé par la NSF. Ils ont également tiré parti de nouvelles structures bicouches développées au sein du Programmable Quantum Materials Center (un centre de recherche DOE Energy Frontiers), qui a fourni des bulles bien définies dans une plate-forme qui a été facilement étudiée avec les "nanoscopes" optiques de Schuck.

"Les défauts à l'échelle atomique sont souvent attribués à des sources localisées d'émission lumineuse dans ces matériaux, " dit Jeffrey Neaton, professeur de physique à l'UC Berkeley et directeur de laboratoire associé pour les sciences de l'énergie, Laboratoire national Lawrence Berkeley, qui n'a pas participé à l'étude. "L'accent mis dans ce travail sur le fait que la contrainte seule, sans avoir besoin de défauts à l'échelle atomique, potentiellement impact[s] applications allant des diodes électroluminescentes de faible puissance aux ordinateurs quantiques."

Schuck, Borys, et leurs équipes explorent maintenant comment la contrainte peut être utilisée pour adapter avec précision les propriétés spécifiques de ces émetteurs de photons uniques, et développer des voies vers l'ingénierie de réseaux adressables et accordables de ces émetteurs pour les futures technologies quantiques.

"Nos résultats signifient qu'entièrement accordables, les émetteurs monophotoniques à température ambiante sont désormais à notre portée, ouvrant la voie à des dispositifs photoniques quantiques contrôlables et pratiques, " observe Schuck. " Ces appareils peuvent être la base de technologies quantiques qui vont profondément changer l'informatique, sentir, et les technologies de l'information telles que nous les connaissons."