Les scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) des États-Unis et de l'Air Force Research Laboratory (AFRL) ont développé un moyen d'écrire directement des sources de lumière quantique, qui émettent un seul photon de lumière à la fois, dans des semi-conducteurs monocouches tels que le diséléniure de tungstène (WSe2). Émetteurs de photons uniques (SPE), ou émetteurs quantiques, sont des composants clés d'un large éventail de technologies quantiques naissantes, y compris l'informatique, communications sécurisées, détection et métrologie.

Contrairement aux diodes électroluminescentes classiques qui émettent des milliards de photons simultanément pour former un flux de lumière constant, un SPE idéal génère exactement un photon à la demande, avec chaque photon indiscernable d'un autre. Ces caractéristiques sont essentielles pour les technologies quantiques à base de photons en cours de développement. En outre, ces capacités devraient être réalisées dans une plate-forme matérielle qui permet placement reproductible des SPE d'une manière entièrement évolutive compatible avec la fabrication de puces semi-conductrices existantes.

Les scientifiques du LNR ont utilisé un microscope à force atomique (AFM) pour créer des dépressions ou des empreintes à l'échelle nanométrique dans une seule monocouche de WSe2 sur un substrat de film polymère. Un champ de contrainte très localisé est produit autour de la nano-empreinte qui crée l'état d'émetteur de photon unique dans le WSe2. Les mesures corrélées dans le temps effectuées à l'AFRL de cette émission lumineuse ont confirmé la véritable nature à photon unique de ces états. Ces émetteurs sont brillants, produisant des taux élevés de photons uniques, et spectralement stable, exigences clés pour les applications émergentes.

"Cette calligraphie quantique permet un placement déterministe et une conception en temps réel de modèles arbitraires de SPE pour un couplage facile avec des guides d'ondes photoniques, cavités et structures plasmoniques, " a déclaré Berend Jonker, Doctorat., scientifique principal et chercheur principal. "Nos résultats indiquent également qu'une approche de nano-impression sera efficace pour créer de grands réseaux ou modèles d'émetteurs quantiques pour la fabrication à l'échelle de plaquettes de systèmes photoniques quantiques."

Dr Matthew Rosenberger, auteur principal de l'étude, souligne l'importance de cette découverte en déclarant, « En plus de permettre un placement polyvalent des SPE, ces résultats présentent une méthodologie générale pour conférer une contrainte dans des matériaux bidimensionnels (2-D) avec une précision à l'échelle nanométrique, fournissant un outil inestimable pour d'autres investigations et applications futures de l'ingénierie des contraintes des dispositifs 2-D."

Les résultats de cette étude ouvrent la voie à l'utilisation de matériaux 2D comme hôtes à l'état solide pour les émetteurs de photons uniques dans des applications pertinentes pour la mission du ministère de la Défense (DoD), telles que les communications sécurisées, la détection et le calcul quantique. De telles applications permettent la communication entre les forces distantes du DoD qui ne sont pas vulnérables à l'écoute ou au décryptage, une condition essentielle pour assurer la sécurité du combattant.

Le calcul quantique sur une puce offre une capacité embarquée pour analyser rapidement de très grands ensembles de données acquis par des réseaux de capteurs, afin que l'ensemble des données n'ait pas à être transmis, réduire les besoins en bande passante. Les résultats de la recherche sont publiés dans le janvier 2019 ACS Nano .

L'équipe de recherche comprenait le Dr Matthew Rosenberger, Dr Hsun-Jen Chuang, Dr Saujan Sivaram, Dr Kathleen McCreary, et le Dr Berend Jonker de la Division de la science et de la technologie des matériaux du LNR; et le Dr Chantriker Kavir Dass et le Dr Joshua R. Hendrickson de la Direction des capteurs de l'AFRL. Rosenberger et Sivaram détiennent tous deux des bourses du Conseil national de recherches (NRC) au LNR, et Chuang est titulaire d'une bourse de l'American Society for Engineering Education (ASEE) au NRL.