Schéma de la microcavité optique avec semi-conducteur 2D. La réponse optique non linéaire provient des plus grands rayons de Bohr des excitons Rydberg permettant de repousser la limite à quelques photons non linéaires. Crédit : Rezlind Bushati
La possibilité d’activer et de désactiver un processus physique avec un seul photon est un élément fondamental des technologies photoniques quantiques. Réaliser cela dans une architecture à l’échelle de la puce est important pour l’évolutivité, ce qui amplifie une percée des chercheurs du City College de New York dirigés par le 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 à froid atome gaz) pour améliorer les interactions optiques non linéaires à des niveaux sans précédent dans les systèmes à l’état solide. Cet exploit est une première étape vers la réalisation de commutateurs à photon unique évolutifs à l’échelle de la puce.
Dans les systèmes à l’état solide, les excitons-polaritons, quasiparticules mi-lumière mi-matière, qui résultent de l’hybridation d’excitations électroniques (excitons) et de photons, sont un candidat attractif pour réaliser des non-linéarités à la limite quantique. “Ici, nous réalisons ces quasiparticules avec des excitons de Rydberg (états excités d’excitons) dans des semi-conducteurs atomiquement minces (matériaux 2D)”, a déclaré Menon, directeur de physique à la division des sciences du City College. “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 de leur réponse non linéaire améliorée présente la première étape vers la génération d’interactions photoniques fortes dans les systèmes à l’état solide, un élément 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 : « Enhanced nonlinear interaction of polaritons via excitonic Rydberg states in monolayer WSe2 », qui apparaît dans Communications naturelles. L’équipe comprenait également des scientifiques des universités de Stanford, de Columbia, d’Aarhus et de l’École 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 et de calcul de l’information 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 l’US Army Combat. Commandement du développement des capacités, connu sous le nom de DEVCOM, Army Research Laboratory. « La commutation optique et les non-linéarités utilisées dans les futurs paradigmes informatiques utilisant la photonique bénéficieraient de cette avancée. Des effets de couplage aussi puissants réduiraient la consommation d’énergie et amélioreraient éventuellement les performances de calcul.
Référence : « Interaction non linéaire améliorée des polaritons via les états excitoniques de Rydberg dans la monocouche WSe2» par Jie Gu, Valentin Walther, Lutz Waldecker, Daniel Rhodes, Archana Raja, James C. Hone, Tony F. Heinz, Stéphane Kéna-Cohen, Thomas Pohl et Vinod M. Menon, 15 avril 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-22537-x
La recherche a été soutenue par le Army Research Office, un élément du DEVCOM Army Research Laboratory, par le biais du programme MURI et la NSF par le biais du programme MRSEC.
