Для квантового зв’язку, криптографії та інших цілей необхідні джерела одиночних фотонів. Це не проблема, але рішення потребує громіздкого обладнання, включаючи найсильніші магніти. Вченим із США вдалося спростити завдання і навіть створити прилад “два в одному” – він одночасно випускає одиночні фотони й надає їм кругової поляризації. Для передачі закодованих даних потрібно просто додати модулятор і отримати повністю захищений зв’язок.
Традиційно джерела поляризованих одиночних фотонів генерувалися в сильному магнітному полі. Це непогано для лабораторій, але не годиться для компактних застосувань. Група вчених під керівництвом дослідників Лос-Аламоської національної лабораторії створила прилад, який обходиться без потужних магнітів. Для цього вчені з’єднали два атомарно тонкі напівпровідники і наробили вм’ятин у верхньому з них.
Верхній матеріал представлений шаром диселеніду вольфраму (WSe 2 ), а нижній, трохи товстіший, магнітною сполукою трисульфіду нікель-фосфору (NiPS 3 ). Вм’ятини діаметром близько 400 нм та глибиною близько нанометра робилися за допомогою атомарно-силового мікроскопа. На зрізі волосся легко поміститься близько 200 таких заглиблень. Лунки у матеріалі створюють западини як фізичні, а й провали у потенційної енергії на площині матеріалу. Під дією лазера ці провали стікають електрони з диселенида вольфраму та його взаємодія генерує одиночні фотони.
Але під кожною лункою лежить моношар магнітного матеріалу, який задає вектор поляризації фотонам, що вилітають з лунки. Усі фотони, що генеруються кожною лункою, безкоштовно наділяються круговою поляризацією. А наявність поляризації – це ключ до передачі даних. Треба тільки навчитися модулювати цю характеристику, що загалом вирішується відносно просто. Якщо до такого генератора приробити хвилеводи, то потоки одиночних поляризованих і промодульованих фотонів можна направити будь-куди — хоч далі в мікросхему для обчислень, хоч в оптичний канал зв’язку для передачі на інший край Землі.
«Наше дослідження показує, що моношаровий напівпровідник може випромінювати поляризоване світло з круговою поляризацією без допомоги зовнішнього магнітного поля, – кажуть автори роботи. — Раніше цей ефект досягався лише за допомогою потужних магнітних полів, створюваних громіздкими надпровідними магнітами, шляхом з’єднання квантових випромінювачів з дуже складними нанорозмірними фотонними структурами або інжекції спін-поляризованих носіїв у квантові випромінювачі. Перевага нашого підходу, заснованого на ефекті ближньої взаємодії, полягає у дешевизні виготовлення та надійності».
“Маючи джерело, що дозволяє генерувати потік одиночних фотонів і одночасно вводити поляризацію, ми по суті об’єднали два пристрої в одному”, – додають вчені. Джерело