Onderzoekers creëren 2D-kwantumlichtbron van gelaagde materialen

Recente vorderingen op het gebied van op spontane parametrische neerwaartse conversie (SPDC) gebaseerde kwantumlichtbronnen op basis van tweedimensionale gelaagde materialen zijn gemaakt door een team onder leiding van prof. Ren Xifeng van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences, in samenwerking met prof. Qiu Chengwei en dr. Guo Qiangbing van de National University of Singapore (NUS). De studie is gepubliceerd in Natuur.

Miniaturisatie en integratie zijn strategieën die algemeen worden gebruikt in optische kwantumsystemen om hun schaalbaarheid en stabiliteit te verbeteren, en zo een pad te bieden naar schaalbare en praktische oplossingen voor optische kwantumcomputing en kwantumcommunicatie.

In deze studie rapporteerden onderzoekers een van der Waals-kristal (NbOCl₂) met monolaagachtig excitonisch gedrag in bulkvorm, wat duidt op een geverifieerde zwakke elektronische koppeling tussen de lagen. Theoretische berekeningen impliceerden dat een dergelijke zwakke koppeling tussen de lagen was afgeleid van de sterke ionische Nb-Cl-binding in het kristal.

Tweede-harmonische generatie (SHG) is het niet-lineaire optische proces van de laagste orde waarbij de niet-lineaire optische gevoeligheid van de tweede orde verantwoordelijk is voor het genereren van licht met een frequentie van de tweede harmonische. Ondanks dat ze een hoge niet-lineaire gevoeligheid van de tweede orde hebben, kunnen conventionele 2D-materialen (bijv. WS₂) tonen een afnemende SHG-respons naarmate het aantal lagen toeneemt, terwijl de schaalbare SHG-intensiteit in NbOCl₂ is tot drie ordes van grootte hoger dan die in monolaag WS₂.

Met name deze nieuw gerapporteerde kristalschilfer is zo dun als 46 nm. De sterke niet-lineariteit van de tweede orde van kristal NbOCl₂ maakt een SPDC-proces mogelijk, een niet-lineair proces van de tweede orde waarin een foton van een sterke pomplaser wordt omgezet in een fotonpaar, wat betekent dat een detectie van het ene foton van het paar de aanwezigheid van het andere aankondigt.

De ontdekking maakt kristal NbOCl₂ zowel de dunste als de eerste tweedimensionale SPDC-bron die ooit is gerapporteerd.

De bevindingen van deze studie bieden niet alleen een integreerbare kwantumlichtbron voor optische kwantuminformatietechnologie, maar openen ook een nieuwe richting in de studie van optische niet-lineariteit in tweedimensionale materialen.