Naukowcy z Wydziału Fizyki UW, we współpracy z zespołami z National University of Singapore oraz Radboud University w Holandii, zaobserwowali emisję pojedynczych fotonów z warstwowego materiału dwuwymiarowego ZnPS3. Wyniki tych badań zostały opublikowane w czasopiśmie „ACS Nano”.
Emitery pojedynczych fotonów to punktowe źródła zdolne do generowania na żądanie dokładnie jednej cząstki światła. Badacze poszukują ich intensywnie na potrzeby optycznych technologii kwantowych, takich jak kryptografia kwantowa czy kwantowe przetwarzanie informacji. Tradycyjne układy tego typu, oparte na kropkach kwantowych lub centrach barwnych w diamencie, ustępują pod wieloma względami nowej klasie materiałów – dwuwymiarowym kryształom warstwowym van der Waalsa.
W przeciwieństwie do materiałów objętościowych kryształy 2D można z łatwością przenosić i precyzyjnie umieszczać na niemal dowolnym podłożu bez konieczności dopasowywania stałej sieci krystalicznej. Cecha ta pozwala na ich bezproblemową integrację z istniejącymi miniaturowymi układami fotonicznymi, chipami krzemowymi oraz światłowodami. W praktyce oznacza to możliwość tworzenia złożonych, wieloczęściowych obwodów optycznych na jednym chipie. Właściwości te mogą w przyszłości zostać wykorzystane w produkcji zintegrowanych procesorów kwantowych na dużą skalę.
W ramach pionierskich badań naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z zespołami z National University of Singapore oraz Radboud Universiteit w Holandii, testowali cienkie płatki trójsiarkofosforku cynku (ZnPS₃) należącego do rodziny warstwowych trichalkogenków metal-fosfor (MPX₃).
Materiał ten jest półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej wynoszącej około 3.63 eV. W pracy, opublikowanej w czasopiśmie ,,ACS Nano’’, przedstawiono wyniki badań płatków ZnPS3 o grubości rzędu kilkudziesięciu nanometrów i o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów.
Kluczowym elementem pracy jest identyfikacja mikroskopowego mechanizmu odpowiedzialnego za emisję pojedynczych fotonów, a także zbadanie ich parametrów fizycznych. Jak wskazują badacze, źródłem kwantowej emisji mogą być defekty strukturalne sieci krystalicznej w postaci braków pojedynczych atomów fosforu. Po pobudzeniu materiału światłem lasera defekt punktowy w sieci krystalicznej generuje uporządkowany strumień fotonów. Emitowane fotony wykazują wysoki stopień polaryzacji, co oznacza, że mają ściśle określoną i stabilną orientację przestrzenną fali elektromagnetycznej. Ta własność może być wykorzystana w kryptografii kwantowej, gdzie informacja może być kodowana poprzez kierunek polaryzacji pojedynczych cząstek światła.