La possibilité d’activer et de désactiver un processus physique avec un seul photon est un élément fondamental des technologies photoniques quantiques. La réalisation de cela dans une architecture à l’échelle de la puce est importante pour l’évolutivité, ce qui amplifie une percée des chercheurs du City College of New York dirigés par physicien Vinod Menon.
Ils ont démontré pour la première fois l’utilisation des «états de Rydberg» dans les matériaux à l’état solide (précédemment montrés dans les gaz à atomes froids) pour améliorer les interactions optiques non linéaires à des niveaux sans précédent dans les systèmes à l’état solide. Cet exploit est la première étape vers la réalisation de commutateurs à photon unique évolutifs à l’échelle de la puce.
Schéma de la microcavité optique avec semi-conducteur 2D. La réponse optique non linéaire provient des excitons de Rydberg à rayons de Bohr plus grands permettant de repousser la limite à quelques photons non linéaires. Crédit d’image: Rezlind Bushati.
Dans les systèmes à l’état solide, les exciton-polaritons, quasiparticules demi-matière demi-lumière, qui résultent de l’hybridation d’excitations électroniques (excitons) et de photons, sont un candidat intéressant pour réaliser des non-linéarités à la limite quantique. «Ici, nous réalisons ces quasiparticules avec des excitons de Rydberg (états excités des excitons) dans des semi-conducteurs atomiquement minces (matériaux 2D)», a déclaré Menon, président de la physique dans City College’s Division des sciences. « Les états excités des excitons en raison de leur plus grande taille, montrent des interactions améliorées et sont donc prometteurs pour accéder au domaine quantique des non-linéarités à photon unique, comme démontré précédemment avec les états de Rydberg dans les systèmes atomiques. »
Selon Menon, la démonstration des excitons-polaritons de Rydberg dans les semi-conducteurs bidimensionnels et leur réponse non linéaire améliorée représente la première étape vers la génération d’interactions photoniques fortes dans les systèmes à l’état solide, un élément de base nécessaire pour les technologies photoniques quantiques.
Jie Gu, un étudiant diplômé travaillant sous la supervision de Menon, a été le premier auteur de l’étude intitulée: «Interaction non linéaire améliorée des polaritons via les états de Rydberg excitoniques en monocouche WSe2», qui apparaît dans «Communications de la nature. » L’équipe comprenait également des scientifiques des universités Stanford, Columbia, Aarhus et Polytechnique de Montréal.
Les recherches du professeur Menon et de ses collègues pourraient avoir un impact considérable sur les objectifs de l’armée en matière de traitement de l’information et d’informatique à très faible consommation d’énergie pour les plates-formes mobiles de l’armée telles que les systèmes sans pilote », a déclaré le Dr Michael Gerhold, directeur de programme à US Army Combat Capabilities. Commandement du développement, connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l’armée. «La commutation optique et les non-linéarités utilisées dans les futurs paradigmes informatiques utilisant la photonique bénéficieraient de cette avancée. De tels effets de couplage puissants réduiraient la consommation d’énergie et amélioreraient éventuellement les performances de calcul.
La source: CCNY
