Controlando la Polarización de Fotones Individuales de WSe

En los últimos años, los científicos han estado buscando nuevas formas de producir fotones individuales. Los fotones individuales son importantes para tecnologías avanzadas como la computación cuántica y la comunicación segura. Un método prometedor es usar materiales llamados diseleniuro de tungsteno (WSE), específicamente los diseleniuro de tungsteno (WSe). Este material puede crear potencialmente fotones individuales con las cualidades específicas necesarias para diversas aplicaciones.

El enfoque de este trabajo es controlar cómo se polarizan estos fotones individuales. La Polarización se refiere a la dirección en la que vibra la onda de luz. Controlar la polarización es crucial para asegurarse de que los fotones emitidos funcionen de manera efectiva en diferentes configuraciones tecnológicas.

#Antecedentes sobre los emisores cuánticos

Un emisor cuántico es un dispositivo que puede enviar fotones individuales. Para que una fuente de fotones individuales sea ideal, debería emitir fotones individuales indistinguibles con alta eficiencia. Los métodos actuales para generar fotones individuales a menudo implican procesos que pueden ser aleatorios o impredecibles, haciéndolos menos útiles para aplicaciones prácticas.

Un método común es la conversión descendente paramétrica espontánea, donde un fotón se divide en dos fotones. Sin embargo, este método tiene limitaciones debido a su naturaleza probabilística, lo que puede llevar a un compromiso entre la calidad y la fiabilidad de los fotones emitidos.

En contraste, el uso de puntos cuánticos de semiconductores (QDs) se ha vuelto popular. Estos puntos se pueden colocar dentro de cavidades ópticas, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de la emisión de fotones. Sin embargo, el proceso para fabricar estos QDs puede ser costoso y poco fiable.

Ahí es donde entran los TMD. Son más sencillos de manejar y ofrecen nuevas posibilidades para crear fotones individuales. Las propiedades de los TMD permiten a los investigadores diseñar los materiales de tal manera que puedan producir fotones individuales de alta calidad.

#¿Por qué WSe?

WSe tiene una estructura especial que permite una producción eficiente de fotones. Se conoce por su banda prohibida directa, lo que significa que puede emitir luz de manera muy efectiva. Sin embargo, para generar fotones individuales de alta calidad, los científicos necesitan trabajar con estados excitónicos localizados, que pueden formarse debido a defectos en el material o aplicando tensión.

Aplicar tensión al material WSe puede crear áreas donde se atrapan los excitones, lo que conduce a la emisión de fotones individuales. La orientación de cómo se aplica la tensión es muy importante, especialmente cuando se trata de la polarización de la luz emitida.

#Nuestro enfoque

Este trabajo presenta un nuevo método para controlar la polarización de los fotones individuales producidos a partir de WSe. Usamos estructuras especiales llamadas Nanopilares para inducir tensión en la capa de WSe. Al diseñar los nanopilares en formas específicas, podemos dirigir la tensión de manera controlada. Esto, a su vez, influye en la polarización de la luz emitida.

Usando diferentes formas de nanopilares, podemos crear tensión direccional que afecta a los fotones emitidos. El estudio se centra en tres diseños: una estrella de tres puntas, una estrella de cinco puntas y una forma de pajarita. Cada estructura ayuda a crear nanarrugas en la capa de WSe, que desempeñan un papel crucial en la formación de los fotones individuales.

#Fabricando los nanopilares

El primer paso implica fabricar los nanopilares. El proceso comienza preparando un sustrato, que es una capa base donde se colocarán los nanopilares. Este sustrato pasa por una serie de pasos para crear pequeños pilares de diferentes formas y tamaños.

Una vez que los pilares están listos, el siguiente paso es transferir el material WSe sobre ellos. Esto se hace utilizando una técnica que permite que las escamas de WSe se adhieran a los pilares mientras se asegura que mantengan sus propiedades deseadas.

#Creando tensión y arrugas

Cuando el WSe se coloca sobre los nanopilares, experimenta tensión mecánica. La forma de los pilares hace que el WSe se deforme y forme nanarrugas, especialmente alrededor de las puntas de los pilares. Estas arrugas son esenciales ya que ayudan a atrapar excitones, llevando a la emisión deseada de fotones individuales.

La dirección de estas nanarrugas se alinea con la forma de los pilares. Al controlar la forma de los pilares, también podemos controlar la orientación de las arrugas, lo que ayuda a gestionar la polarización de los fotones emitidos.

#Caracterizando la emisión

Una vez que los nanopilares y el WSe están en su lugar, los científicos pueden analizar la luz emitida por ellos. Esto implica medir el brillo, la longitud de onda y la polarización de los fotones emitidos.

Las mediciones se realizan a diversas temperaturas, típicamente muy bajas, para garantizar un mejor rendimiento y estabilidad de la luz emitida. Las propiedades espectrales de la luz emitida, incluyendo cuán pura y polarizada es, brindan información sobre la efectividad del diseño.

#Observando el comportamiento de fotones individuales

Un aspecto crítico de esta investigación es confirmar que la luz emitida consiste en fotones individuales. Esto se puede lograr a través de configuraciones especiales que detectan la ocurrencia de fotones a medida que se emiten.

Al utilizar una técnica llamada autocorrelación de segundo orden, los investigadores pueden evaluar si los fotones emitidos son realmente individuales y no parte de un grupo más grande de luz. Los resultados de estas pruebas pueden mostrar si las fuentes son fiables para futuras aplicaciones.

#Altas tasas de polarización

Uno de los hallazgos significativos de este trabajo es que los fotones individuales emitidos exhiben altas tasas de polarización. Al usar los nanopilares diseñados especialmente, los emisores de WSe muestran niveles de polarización que alcanzan hasta el 99%. Este nivel de control es una gran ventaja para futuras aplicaciones en tecnologías cuánticas.

La capacidad de crear luz tan altamente polarizada abre muchas posibilidades para integrar estos emisores en varios sistemas fotónicos, haciéndolos valiosos en áreas como la computación cuántica y la comunicación segura.

#Direcciones futuras

Los hallazgos de esta investigación sientan las bases para futuros avances en el campo de la fotónica cuántica. Hay varias rutas potenciales a seguir. Un área es centrarse en mejorar la integración de estos emisores en dispositivos nanoópticos.

Al mejorar las estructuras de cavidad donde se generan los fotones individuales, los investigadores pueden aumentar la eficiencia de emisión de fotones, lo cual es crítico para aplicaciones prácticas. Otra área a explorar es el efecto de diferentes factores ambientales, como la temperatura y los campos eléctricos, en la estabilidad y el rendimiento de los emisores.

Además, los investigadores también pueden considerar el uso de diferentes materiales o combinaciones de materiales para mejorar aún más las propiedades de los emisores. Explorar nuevos métodos para crear niveles de polarización y pureza aún mejores presenta oportunidades emocionantes para la innovación.

#Conclusión

En resumen, esta investigación muestra una forma efectiva de producir fotones individuales altamente polarizados a partir de WSe utilizando nanopilares diseñados especialmente. Al emplear estructuras únicas para inducir tensión controlada en la capa de WSe, los científicos han logrado alcanzar altos niveles de polarización y pureza en la luz emitida. Estos avances ayudarán a allanar el camino para la integración de tales emisores cuánticos en futuros sistemas tecnológicos, mejorando las capacidades en comunicación cuántica y procesamiento de información.