Generation of Coherent Quantum Light from a Single Impurity-Bound Exciton

In de zoektocht naar een toekomstig internet dat fundamenteel veilig is en in staat is om problemen op te lossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, richten wetenschappers zich op de kleinste mogelijke eenheden van licht. Deze eenheden, bekend als fotonen, kunnen informatie dragen in een staat van delicate balans genaamd coherentie, waarbij hun golfachtige eigenschappen perfect gesynchroniseerd zijn. Om een netwerk te creëren op basis van dit principe, hebben onderzoekers een betrouwbare bron nodig die deze fotonen één voor één kan uitzenden, op aanvraag, terwijl de kwantumtoestand intact blijft. Een veelbelovende kandidaat voor deze rol is een piepklein defect binnen een kristalstructuur, specifiek een atoom dat gevangen zit in een halfgeleidermateriaal. Wanneer licht op dit gevangen atoom valt, kan het een gebonden paar vormen met een elektron, wat een deeltje creëert dat een exciton wordt genoemd. Als dit paar stevig wordt vastgehouden door een specifieke onzuiverheid van een atoom, kan het fungeren als een stabiele, heldere lichtbron. Echter, om deze bronnen nuttig te laten zijn voor geavanceerde kwantumnetwerken, moeten ze worden aangestuurd door een laser die precies overeenkomt met hun energie, een techniek die bekend staat als resonante excitatie. Eerdere pogingen om deze methode in bepaalde materialen te gebruiken, mislukten vaak omdat het laserlicht de zwakke signaal van het atoom zou overstemmen, of omdat het atoom zijn lading zou verliezen en daardoor zou stoppen met gloeien.

Een team van onderzoekers heeft nu succesvol gedemonstreerd hoe men coherente kwantumnlicht kan genereren van een enkel door een onzuiverheid gebonden exciton in een kristal van zinkselenide. Door een microscopische pilaar van het materiaal zorgvuldig te ontwerpen en een precieze laser afstemmethode te gebruiken, slaagden zij erin om een enkel chlooratoom ingebed in het kristal te laten gloeien met een constante, kwantumstroom van licht. Het experiment toonde aan dat wanneer de laser wordt afgestemd op de exacte energie die nodig is om het atoom te exciteren, het resulterende licht een perfecte faseverhouding behoudt met de laser zelf, een cruciale vereiste voor het verzenden van kwantuminformatie over lange afstanden. De onderzoekers ontdekten dat deze lichtbron opmerkelijk efficiënt is, waarbij bijna alle uitgezonden energie verschijnt als een scherpe, zuivere kleur in plaats van verloren te gaan aan trillingen binnen het kristal. Ze ontdekten ook dat het atoom zich op een voorspelbare manier gedraagt wanneer het door licht wordt geraakt, waardoor ze de emissie met extreme snelheid aan en uit kunnen zetten door kortstondig een tweede, zwakkere laser toe te passen. Dit werk bewijst dat deze specifieke defecten in zinkselenide gecontroleerd kunnen worden met de precisie die nodig is voor toekomstige kwantumtechnologieën, wat een helder en stabiel pad biedt voor de bouw van kwantumnetwerken.

De reis naar dit resultaat begon met een specifiek materiaal: een dunne laag zinkselenide, een halfgeleiderkristal, gegroeid op een galliumarsenide (GaAs) basis. Binnen deze laag plaatsten de onderzoekers een enkel chlooratoom, dat fungeert als een val voor een exciton. Om deze kleine val zichtbaar en efficiënt te maken bij het uitzenden van licht, sneden ze het kristal in een microscopische pilaar van slechts enkele honderden nanometer breed, en plaatsten ze er een minuscule lens bovenop, gemaakt van een gespecialiseerd glasachtig materiaal. Deze structuur werkt als een trechter, die het door het enkele atoom uitgezonden licht verzamelt en in de richting van een detector leidt. Het team koelde het hele apparaat af tot een ijzige temperatuur van 3,2 Kelvin, slechts een paar graden boven het absolute nulpunt, om de thermische trillingen te kalmeren die anders de delicate kwantumsignalen zouden verstoren.

De kernuitdaging was om het atoom te exciteren zonder het signaal te overstemmen. In eerdere experimenten gebruikten wetenschappers een brede, hoogenergetische laser om het materiaal te pompen, wat weliswaar werkte, maar licht produceerde dat schokkerig was en een gebrek had aan de preciele timing die nodig is voor kwantumcomputers. De nieuwe aanpak vereiste een laser die afgestemd kon worden op de exacte energie van de overgang van het atom. De onderzoekers richtten een systeem op waarbij een afstembare laser, waarvan de kleur met extreme precisie kon worden aangepast, op de nanopilaar werd gericht. Om het zwakke gloeien van het atoom te scheiden van de verblindende reflectie van de laser zelf, gebruikten ze een slimme truc met polarisatie. Door de richting van de lichtgolven te roteren, konden ze het gereflecteerde laserlicht wegfilteren terwijl ze de emissie van het atoom doorlieten, waarmee een niveau van helderheid werd bereikt dat voorheen moeilijk te bereiken was.

Toen ze de laser afstemden op de exacte energie van het chloorgebonden exciton, begon het atoom te gloeien met een gestage, heldere lichtstroom. De onderzoekers maten dit licht en stelden vast dat het niet zomaar een willekeurige burst van fotonen was, maar een coherente stroom die de fase van de drijvende laser behield. Dit betekent dat de lichtgolven in stap marcheren met de laser die hen creëerde, een eigenschap die essentieel is voor het creëren van verstrengelde toestanden en het samenpersen (squeezing) van licht voor geavanceerde communicatie. Ze observeerden ook dat het licht ongelooflijk puur was, met een specifieke ratio van zuivere, scherpe emissie ten opzichte van ruisige, door trillingen veroorzaakte zijbanden. Door het spectrum van het licht te analyseren, berekenden ze een waarde die bekend staat als de Debye-Waller-factor, die 0,94 bleek te zijn. Dit getal geeft aan dat 94 procent van het licht wordt uitgezonden in de gewenste scherpe kleur, een cijfer dat tot de hoogste behoort die ooit voor vaste stof lichtbronnen zijn geregistreerd.

Het team onderzocht ook hoe het atoom zich in de loop van de tijd gedraagt wanneer het door de laser wordt geraakt. Ze ontdekten dat het resonante licht, hoewel het het atoom exciteert, ook een bijeffect heeft: het kan het atoom uit zijn geladen toestand stoten, waardoor het stopt met gloeien. Dit proces gebeurde snel, binnen een microseconde, maar de onderzoekers vonden een manier om dit te herstellen. Door kortstondig een tweede, zwakke laser af te vuren die niet was afgestemd op de resonantie van het atoom, konden ze het atoom weer opladen en het vermogen om licht uit te zenden herstellen. Dit herstel gebeurde in minder dan 10 nanoseconden, een tijdschaal die snel genoeg is om de lichtbron razendsnel aan en uit te schakelen. Het vermogen om het kwantumlicht met dergelijke snelheid en betrouwbaarheid aan en uit te zetten, suggereert dat deze onzuiverheden als schakelaars kunnen worden gebruikt in toekomstige kwantumcircuits.

De onderzoekers bevestigden dat het licht dat ze zagen afkomstig was van een enkele bron door te meten hoe de fotonen bij hun detectoren aankwamen. Ze vonden dat de fotonen één voor één aankwamen, nooit in paren, wat het kenmerk is van een echte single-photon emitter. Ze brachten ook in kaart hoe de lichtintensiteit veranderde wanneer ze de lasersterkte aanpasten, waarbij ze een niet-lineaire respons observeerden waarbij het licht zich anders gedroeg bij zeer lage vermogens. Dit gedrag wijst op het potentieel om deze emittenten te gebruiken voor het creëren van optische poorten die werken met slechts enkele fotonen, een belangrijke stap naar het bouwen van logische poorten voor kwantumcomputers.

Gedurende het hele onderzoek hebben de onderzoekers verschillende alternatieve verklaringen voor hun waarnemingen uitgesloten. Ze toonden aan dat de verbreding van de kleur van het licht niet werd veroorzaakt door het vermogen van de laser zelf, maar door subtiele fluctuaties in de elektrische omgeving rond het atoom. Ze toonden ook aan dat het verlies van het signaal niet kwam doordat het atoom simpelweg zijn energie verbruikte, maar door een specifiek proces waarbij het atoom zijn lading verloor aan nabijgelegen vallen. Door deze mogelijkheden systematisch te testen, bouwden ze een helder beeld op van hoe het systeem werkt. De resultaten suggereren dat zinkselenide met chloorimpuriteiten een robuust platform is voor het genereren van coherent kwantumlicht, waarbij hoge efficiëntie wordt gecombineerd met de mogelijkheid om elektrisch en optisch te worden gecontroleerd. Dit werk biedt een nieuwe set instrumenten voor het manipuleren van de kwantumtoestanden van materie, wat de weg vrijmaakt voor complexere experimenten in kwantumnetwerken en informatieverwerking.