Redes de telecomunicações seguras e processamento rápido de informações tornam a vida moderna possível. Para fornecer mais segurança, mais rápido, e compartilhamento de informações de maior desempenho do que é possível atualmente, cientistas e engenheiros estão projetando dispositivos de última geração que controlam as regras da física quântica. Esses projetos contam com fótons únicos para codificar e transmitir informações através de redes quânticas e entre chips quânticos. Contudo, ferramentas para gerar fótons únicos ainda não oferecem a precisão e estabilidade necessárias para a tecnologia da informação quântica.

Agora, conforme relatado recentemente no jornal Avanços da Ciência , pesquisadores descobriram uma maneira de gerar fótons idênticos sob demanda. Ao posicionar uma sonda metálica sobre um ponto designado em um material semicondutor 2-D comum, a equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) disparou uma emissão de fóton eletricamente. As propriedades do fóton podem ser simplesmente ajustadas mudando a voltagem aplicada.

"A demonstração da emissão de fóton único eletricamente acionada em um ponto preciso constitui um grande passo na busca por tecnologias quânticas integráveis, "disse Alex Weber-Bargioni, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab que liderou o projeto. A pesquisa faz parte do Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia patrocinado pelo Departamento de Energia, cujo objetivo geral é encontrar novas abordagens para proteger e controlar a memória quântica que pode fornecer novos insights sobre novos materiais e projetos para a tecnologia de computação quântica.

Os fótons são um dos mais robustos portadores de informações quânticas e podem viajar longas distâncias sem perder sua memória, ou a chamada coerência. A data, a maioria dos esquemas estabelecidos para transferência de comunicação segura que irá alimentar comunicações quânticas em grande escala requerem fontes de luz para gerar um fóton de cada vez. Cada fóton deve ter um comprimento de onda e uma orientação precisamente definidos. O novo emissor de fótons demonstrado no Berkeley Lab atinge esse controle e precisão. Pode ser usado para transferir informações entre processadores quânticos em diferentes chips, e, por fim, ampliado para processadores maiores e uma futura Internet quântica que conecta computadores sofisticados em todo o mundo.

O emissor de fótons é baseado em um material semicondutor 2-D comum (dissulfeto de tungstênio, WS ₂ ), que tem um átomo de enxofre removido de sua estrutura cristalina. Aquela imperfeição atômica cuidadosamente localizada, ou defeito, serve como um ponto onde o fóton pode ser gerado por meio da aplicação de uma corrente elétrica.

O desafio não é como gerar fótons únicos, mas como torná-los verdadeiramente idênticos e produzi-los sob demanda. Dispositivos emissores de fótons, como as nanopartículas semicondutoras ou 'pontos quânticos' que iluminam TVs QLED, que são fabricados por litografia estão sujeitos à variabilidade inerente, uma vez que nenhum sistema baseado em padrões pode ser idêntico a um único átomo. Os pesquisadores que trabalharam com Weber-Bargioni adotaram uma abordagem diferente, cultivando um material de película fina em uma folha de grafeno. Quaisquer impurezas introduzidas na estrutura atômica do filme fino são repetidas e idênticas em toda a amostra. Por meio de simulações e experimentos, a equipe determinou exatamente onde introduzir uma imperfeição na estrutura uniforme. Então, aplicando um contato elétrico nesse local, eles foram capazes de acionar o material para emitir um fóton e controlar sua energia com a voltagem aplicada. Esse fóton fica então disponível para transportar informações para um local distante.

"Emissores de fóton único são como um terminal onde informações quânticas cuidadosamente preparadas, mas frágeis, são enviadas em uma jornada rumo à velocidade da luz, caixa resistente, "disse Bruno Schuler, um pesquisador de pós-doutorado na Molecular Foundry (agora um cientista pesquisador na Empa - os Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais) e principal autor do trabalho.

A chave para o experimento é a ponta revestida de ouro de um microscópio de tunelamento que pode ser posicionado exatamente sobre o local do defeito no material de película fina. Quando uma tensão é aplicada entre a ponta da sonda e a amostra, a ponta injeta um elétron no defeito. Quando o elétron viaja ou entra em túneis a partir da ponta da sonda, uma parte bem definida de sua energia é transformada em um único fóton. Finalmente, a ponta da sonda atua como uma antena que ajuda a guiar o fóton emitido para um detector óptico que registra seu comprimento de onda e posição.

Ao mapear os fótons emitidos por filmes finos feitos para incluir vários defeitos, os pesquisadores foram capazes de identificar a correlação entre o elétron injetado, estrutura atômica local, e o fóton emitido. Usualmente, a resolução óptica de tal mapa é limitada a algumas centenas de nanômetros. Graças à injeção de elétrons extremamente localizada, combinado com ferramentas de microscopia de última geração, a equipe do Berkeley Lab pode determinar onde no material um fóton emergiu com uma resolução abaixo de 1 angstrom, sobre o diâmetro de um único átomo. Os mapas detalhados de fótons foram cruciais para localizar e compreender o mecanismo de emissão de fótons disparado por elétrons.

“Em termos de técnica, este trabalho foi um grande avanço porque podemos mapear a emissão de luz de um único defeito com resolução sub-nanométrica. Visualizamos a emissão de luz com resolução atômica, "disse Katherine Cochrane, um pesquisador de pós-doutorado na Molecular Foundry e um dos principais autores do artigo.

Definir fontes de luz de fóton único em materiais bidimensionais com precisão atômica fornece uma visão crítica sem precedentes para entender como essas fontes funcionam, e fornece uma estratégia para formar grupos de outros perfeitamente idênticos. O trabalho é parte do foco do NPQC em explorar novos fenômenos quânticos em materiais 2-D não homogêneos.

Os materiais bidimensionais estão abrindo o caminho como uma plataforma poderosa para emissores de fótons de próxima geração. Os filmes finos são flexíveis e facilmente integrados com outras estruturas, e agora fornecem uma maneira sistemática para a introdução de controle incomparável sobre a emissão de fótons. Com base nos novos resultados, os pesquisadores planejam trabalhar no emprego de novos materiais para usar como fontes de fótons em redes quânticas e simulações quânticas.