From Single-Photon to Superradiant Light Emission in Dense WSe2 Quantum Emitter Arrays
Questo articolo dimostra una piattaforma controllabile utilizzando un monostrato di WSe2 deformato sospeso su un array di nanocavità per ottenere la transizione dall'emissione di singoli fotoni all'emissione di luce superradiante, regolando precisamente la densità degli emettitori e la spaziatura tra le cavità per superare l'eterogeneità e il disaccoppiamento nei materiali allo stato solido.
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La luce è solitamente una folla caotica. Quando un singolo atomo o un minuscolo difetto in un materiale brilla, emette fotoni, le particelle di luce, uno alla volta in un flusso costante e casuale. Ma la fisica ha da tempo previsto un comportamento diverso, più ordinato, per la luce quando molti emettitori sono stipati strettamente e costretti ad agire come uno solo. In questo stato, noto come superradianza, gli emettitori sincronizzano perfettamente il proprio tempo. Invece di un gocciolamento costante, rilasciano un lampo coordinato di luce ad alta intensità che è molto più luminoso e veloce della somma delle sue parti. Raggiungere questo nei materiali solidi è stato un grande ostacolo perché le minuscole sorgenti luminose all'interno dei solidi sono raramente identiche e tendono a perdere la loro sincronizzazione a causa di imperfezioni e rumore ambientale. Se gli scienziati riuscissero a creare in modo affidabile questi lampi sincronizzati nei materiali solidi, aprirebbero nuove porte per l'informatica quantistica e le comunicazioni sicure, dove il controllo preciso della luce è essenziale.
Un team di ricercatori della University of Texas a Austin ha ora dimostrato un modo per far accadere questo utilizzando un materiale sottile quanto un singolo foglio di atomi. Hanno lavorato con il diselenuro di tungsteno, un materiale bidimensionale che ospita naturalmente minuscoli difetti che fungono da singole sorgenti di luce. La sfida era disporre questi difetti così vicini tra loro da poter comunicare, mantenendoli al contempo abbastanza uniformi da restare in passo. I ricercatori hanno risolto il problema sospendendo un foglio del materiale sopra una superficie di silicio strutturata, coperta da minuscoli fori circolari. Applicando una tensione elettrica dal basso, sono riusciti a tirare il sottile foglio dentro i fori, stirandolo leggermente. Questo stiramento crea una deformazione che intrappola i difetti luminosi al centro di ogni foro. Fondamentalmente, la tensione elettrica ha permesso loro di regolare quanto il foglio si stirasse, controllando efficacemente il comportamento delle sorgenti luminose in tempo reale.
Il team ha costruito due versioni diverse di questi array per testare come la distanza tra i fori influenzasse la luce. Nella prima configurazione, i fori erano distanziati relativamente tanto, con un vuoto di circa metà della larghezza dell'onda luminosa emessa. In questa configurazione, le sorgenti luminose si comportavano esattamente come previsto per individui isolati. Brillavano indipendentemente e, quando i ricercatori misurarono la tempistica dei fotoni, trovarono che la luce arrivava in un modello costante e casuale con una pausa distinta tra ogni particella. Ciò ha confermato che gli emettitori agivano da soli, incapaci di coordinarsi con i propri vicini. La luce da queste sorgenti isolate durava per un tempo relativamente lungo, circa due miliardiesimi di secondo, prima di svanire.
Quando i ricercatori sono passati alla seconda configurazione, in cui i fori erano molto più ravvicinati, il comportamento è cambiato drasticamente. Qui, la distanza tra i fori era inferiore alla metà della larghezza dell'onda luminosa, portando gli emettitori abbastanza vicini da interagire. Invece di agire da soli, i difetti hanno iniziato a sincronizzarsi. La luce che emettevano è diventata un lampo coordinato, arrivando a gruppi piuttosto che in un flusso costante. Cosa più sorprendente, la luce è svanita molto più velocemente, in poco più di cento miliardiesimi di secondo. Questo decadimento rapido è una firma della superradianza, provando che gli emettitori stavano lavorando insieme come un'unica, potente unità. I ricercatori hanno calcolato che circa diciassette di questi emettitori partecipavano a questa danza sincronizzata in qualsiasi momento.
L'esperimento ha anche rivelato che i ricercatori potevano controllare questa sincronizzazione usando l'elettricità. Aumentando la tensione applicata alla base di silicio, hanno tirato ulteriormente il materiale, aumentando la deformazione e cambiando il panorama energetico per i difetti luminosi. Questa regolazione ha fatto sì che i difetti convogliassero più dell'energia disponibile nel gruppo sincronizzato, rendendo il lampo di luce ancora più luminoso e coerente. Il team ha osservato che, aumentando la tensione, la luce dal gruppo sincronizzato cresceva, mentre la luce dalle sorgenti isolate e non sincronizzate si attenuava. Ciò ha dimostrato che il controllo elettrico poteva non solo innescare il comportamento cooperativo, ma anche potenziarlo, offrendo un modo preciso per regolare l'output luminoso.
Questo lavoro fornisce un percorso chiaro dalla emissione caotica e indipendente di singoli fotoni ai potenti lampi sincronizzati della superradianza. Utilizzando un semplice segnale elettrico per stirare un sottile foglio di materiale sopra una superficie strutturata, i ricercatori hanno creato una piattaforma dove la distanza tra le sorgenti luminose e la loro capacità di cooperare potevano essere finemente regolate. I risultati confermano che, quando questi emettitori quantistici vengono portati entro una distanza critica l'uno dall'altro, passano naturalmente dall'agire come individui all'agire come un collettivo. Questo traguardo suggerisce che i materiali allo stato solido possono essere ingegnerizzati per produrre il tipo di emissione luminosa coordinata precedentemente vista solo in modelli teorici idealizzati, aprendo la strada a sorgenti di luce quantistica più avanzate e controllabili.
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