Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform
Este artigo apresenta uma plataforma fotônica de van der Waals integrada e escalável que combina emissores quânticos de WSe de camada dupla com engenharia de deformação com guias de onda de WS e acopladores de rede para alcançar a emissão de fóton único em chip eficiente e de alta pureza, com um medido de apenas 0,003.
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O sonho de construir um computador quântico que possa resolver problemas além do alcance das máquinas atuais frequentemente depende de um único desafio obstinado: como fazer com que minúsculas partículas de luz, chamadas fótons, conversem entre si em um único chip minúsculo. No mundo da informação quântica, esses fótons atuam como mensageiros, transportando dados delicados através de circuitos. Para fazer isso funcionar em grande escala, os cientistas precisam de uma plataforma onde as fontes de luz que criam os fótons, os canais que os guiam e os detectores que os capturam sejam todos feitos de materiais compatíveis e construídos juntos em um só lugar. Durante anos, pesquisadores tentaram montar essas peças usando diferentes materiais, como silício para os canais e semicondutores especiais para as fontes de luz, mas forçar esses diferentes materiais a trabalharem juntos é como tentar colar vidro em borracha; o processo é frágil, complexo e difícil de escalar. Um caminho mais promissor reside no uso de uma família de materiais conhecidos como materiais de van der Waals, que são feitos de folhas atomicamente finas que podem ser empilhadas como blocos de Lego sem a necessidade de ligações químicas severas, oferecendo uma maneira mais limpa de construir esses circuitos integrados.
Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca deram um passo significativo em direção a esse objetivo ao construir com sucesso uma fonte de luz quântica funcional inteiramente feita desses materiais finos e empilháveis. Eles criaram um dispositivo onde um tipo específico de cristal atomicamente fino, feito de disseleneto de tungstênio, atua como uma fábrica de fótons únicos. Este cristal foi colocado diretamente sobre um guia de onda, que é um canal microscópico feito de um cristal diferente chamado dissulfeto de tungstênio, projetado para capturar a luz e guiá-la ao longo de um caminho. Para retirar a luz deste canal minúsculo e levá-la a um instrumento de medição, eles gravaram uma série de anéis concêntricos minúsculos no canal, atuando como uma grade que espalha a luz para cima. O resultado é um sistema totalmente integrado onde a luz é gerada, guiada e extraída, tudo em um único chip feito desses dois materiais bidimensionais.
Os pesquisadores focaram em um truque específico para tornar a fonte de luz mais brilhante e limpa. Em vez de atingir o cristal com um espectro amplo de luz, eles usaram um laser muito preciso sintonizado em um nível de energia específico, logo abaixo do ponto onde o material normalmente absorveria a luz. Este método, conhecido como excitação de estado discreto, permitiu que eles disparassem a emissão de fótons únicos enquanto evitavam o brilho de fundo ruidoso que geralmente acompanha outros métodos. Quando testaram a luz que saía do dispositivo, descobriram que ela era incrivelmente pura. No mundo da física quântica, a pureza é medida pela frequência com que um detector vê dois fótons chegando exatamente ao mesmo tempo; para uma verdadeira fonte de fóton único, isso quase nunca deve acontecer. A equipe mediu este valor como sendo extremamente próximo de zero, indicando que o dispositivo estava emitindo um fóton por vez com alta confiabilidade.
Para provar que a luz estava de fato viajando através do guia de onda e não apenas vazando aleatoriamente, os pesquisadores montaram um teste inteligente. Eles coletaram a luz de ambas as extremidades do canal microscópico simultaneamente. Ao comparar os fluxos de fótons chegando em cada extremidade, eles puderam confirmar que a luz estava sendo guiada eficientemente através do chip. Esta medição de dois lados mostrou que os fótons estavam sendo divididos entre as duas extremidades do canal, com um número significativo de fótons chegando aos detectores. Eles calcularam que o dispositivo era capaz de enviar centenas de milhares de fótons únicos por segundo, uma taxa que, quando ajustada para as perdas no sistema, sugere que a fonte está gerando milhões de fótons por segundo dentro do guia de onda. Este nível de brilho e eficiência é uma grande melhoria em relação às tentativas anteriores usando materiais semelhantes.
Uma parte fundamental do seu sucesso foi a maneira como empilharam os materiais. Eles colocaram uma camada fina de um material chamado nitreto de boro hexagonal entre a fonte de luz e o guia de onda. Esta camada atuou como um espaçador protetor, evitando que o delicado cristal emissor de luz rachasse quando colocado sobre o guia de onda, ao mesmo tempo em que permitia que a luz se acoplasse eficientemente ao canal. Sem este espaçador, os cristais tendiam a fraturar, arruinando o dispositivo. A equipe também descobriu que a luz emitida era altamente polarizada, o que significa que as ondas de luz estavam vibrando em uma direção específica, um recurso útil para controlar como a luz se comporta em futuros circuitos.
O estudo não afirma ter resolvido todos os problemas da computação quântica, mas demonstra que uma fonte de luz quântica completa e funcional pode ser construída usando apenas esses materiais finos e versáteis. Os pesquisadores mostraram que, ao projetar cuidadosamente as camadas e a forma do guia de onda, eles poderiam superar as dificuldades usuais de fazer a luz se mover de uma fonte para um canal. Eles também descartaram a ideia de que a luz estava simplesmente se espalhando pela superfície; as medições confirmaram que os fótons estavam viajando através dos modos do guia de onda. Embora o dispositivo atual seja um protótipo, os resultados sugerem um caminho claro a seguir. Ao adicionar mais componentes, como detectores e filtros feitos da mesma família de materiais, os cientistas poderiam eventualmente construir circuitos quânticos complexos que seriam mais fáceis de fabricar e mais confiáveis do que os sistemas híbridos atuais. Este trabalho estabelece que a plataforma de van der Waals é uma base viável e poderosa para a próxima geração de tecnologias quânticas.
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