La possibilité d'activer et de désactiver un processus physique avec un seul photon est un élément fondamental des technologies photoniques quantiques. Réaliser cela dans une architecture à l'échelle de la puce est important pour l'évolutivité, ce qui amplifie une percée des chercheurs du City College de New York dirigés par le physicien Vinod Menon. Ils ont démontré pour la première fois l'utilisation des "états de Rydberg" dans les matériaux à l'état solide (précédemment montrés dans les gaz à atomes froids) pour améliorer les interactions optiques non linéaires à des niveaux sans précédent dans les systèmes à l'état solide. Cet exploit est une première étape vers la réalisation de commutateurs à photon unique évolutifs à l'échelle de la puce.

Dans les systèmes à semi-conducteurs, excitons-polaritons, quasiparticules mi-lumière mi-matière, qui résultent de l'hybridation d'excitations électroniques (excitons) et de photons, sont un candidat attractif pour réaliser des non-linéarités à la limite quantique. "Ici, nous réalisons ces quasiparticules avec des excitons de Rydberg (états excités des excitons) dans des semi-conducteurs atomiquement minces (matériaux 2D), " dit Menon, chaire de physique à la Division des sciences du City College. "États excités des excitons en raison de leur plus grande taille, montrent des interactions améliorées et sont donc prometteurs pour accéder au domaine quantique des non-linéarités à photon unique, comme démontré précédemment avec les états de Rydberg dans les systèmes atomiques."

Selon Menon, la démonstration des excitons-polaritons de Rydberg dans les semi-conducteurs bidimensionnels et leur réponse non linéaire améliorée présente la première étape vers la génération d'interactions photoniques fortes dans les systèmes à l'état solide, un bloc de construction nécessaire pour les technologies photoniques quantiques.

Jie Gu, un étudiant diplômé travaillant sous la direction de Menon, a été le premier auteur de l'étude intitulée "Enhanced nonlinear interaction of polaritons via excitonic Rydberg states in monolayer WSe2, " qui apparaît dans Communications naturelles. L'équipe comprenait également des scientifiques de Stanford, Colombie, Universités polytechniques d'Aarhus et de Montréal.

« Les recherches du professeur Menon et de ses collègues pourraient avoir un impact considérable sur les objectifs de l'armée en matière de traitement et de calcul de l'information à très faible consommation d'énergie pour les plates-formes mobiles de l'armée telles que les systèmes sans pilote, " a déclaré le Dr Michael Gerhold, responsable de programme au U.S. Army Combat Capabilities Development Command, connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l'armée. « La commutation optique et les non-linéarités utilisées dans les futurs paradigmes informatiques utilisant la photonique bénéficieraient de cette avancée. Des effets de couplage aussi puissants réduiraient la consommation d'énergie et amélioreraient éventuellement les performances informatiques. »