Die Fähigkeit, einen physikalischen Prozess mit nur einem Photon ein- und auszuschalten, ist ein grundlegender Baustein für quantenphotonische Technologien. Dies in einer Architektur im Chip-Maßstab zu realisieren, ist wichtig für die Skalierbarkeit, was den Durchbruch der Forscher des City College of New York unter der Leitung des Physikers Vinod Menon verstärkt. Sie haben zum ersten Mal die Verwendung von “Rydberg-Zuständen” in Festkörpermaterialien (zuvor in Gasen mit kalten Atomen gezeigt) demonstriert, um nichtlineare optische Wechselwirkungen in Festkörpersystemen auf ein beispielloses Niveau zu bringen. Dieses Kunststück ist ein erster Schritt zur Realisierung skalierbarer Einzelphotonenschalter im Chip-Maßstab.
In Festkörpersystemen sind Exzitonenpolaritonen, Halblicht-Halbmaterie-Quasiteilchen, die aus der Hybridisierung elektronischer Anregungen (Exzitonen) und Photonen resultieren, ein attraktiver Kandidat für die Realisierung von Nichtlinearitäten an der Quantengrenze. “Hier realisieren wir diese Quasiteilchen mit Rydberg-Exzitonen (angeregten Zuständen von Exzitonen) in atomar dünnen Halbleitern (2D-Materialien)”, sagte Menon, Lehrstuhl für Physik in der Abteilung für Wissenschaft am City College. “Angeregte Zustände von Exzitonen zeigen aufgrund ihrer Größe verstärkte Wechselwirkungen und sind daher vielversprechend für den Zugang zur Quantendomäne von Einzelphotonen-Nichtlinearitäten, wie zuvor mit Rydberg-Zuständen in atomaren Systemen gezeigt wurde.”
Laut Menon ist die Demonstration von Rydberg-Exzitonenpolaritonen in zweidimensionalen Halbleitern und ihre verbesserte nichtlineare Reaktion der erste Schritt zur Erzeugung starker Photonenwechselwirkungen in Festkörpersystemen, einem notwendigen Baustein für quantenphotonische Technologien.
Jie Gu, ein Doktorand, der unter Menons Aufsicht arbeitet, war der erste Autor der Studie mit dem Titel: “Verbesserte nichtlineare Wechselwirkung von Polaritonen über exzitonische Rydberg-Zustände in der Monoschicht WSe2”, die in “Naturkommunikation.“Zum Team gehörten auch Wissenschaftler der Universitäten Stanford, Columbia, Aarhus und Montreal Polytechnic.
Die Forschung von Professor Menon und seinen Mitarbeitern könnte enorme Auswirkungen auf die Ziele der Armee für die Verarbeitung und Berechnung von Informationen mit extrem geringem Energieverbrauch für mobile Armeeplattformen wie unbemannte Systeme haben “, sagte Dr. Michael Gerhold, Programmmanager beim US Army Combat Capabilities Development Command, bekannt als DEVCOM, Army Research Laboratory. “Optisches Schalten und Nichtlinearitäten, die in zukünftigen Computerparadigmen verwendet werden, die Photonik verwenden, würden von dieser Weiterentwicklung profitieren. Solche starken Kopplungseffekte würden den Energieverbrauch senken und möglicherweise die Rechenleistung unterstützen.
Die Forschung wurde vom Army Research Office, einem Element des DEVCOM Army Research Laboratory, über das MURI-Programm und vom NSF über das MRSEC-Programm unterstützt.
Quelle der Geschichte:
Materialien zur Verfügung gestellt von City College von New York. Hinweis: Der Inhalt kann nach Stil und Länge bearbeitet werden.
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