Onderzoekers hebben een nieuw type lichtversterkende optische holte ontwikkeld die slechts 200 nanometer hoog en 100 nanometer breed is. Hun nieuwe nanoschaalsysteem vertegenwoordigt een stap in de richting van helderdere single-photonbronnen, die zou kunnen helpen bij het voortstuwen van op kwantum gebaseerde codering en een echt veilig en toekomstbestendig netwerk.

Quantum-encryptietechnieken, die waarschijnlijk centraal zullen staan ​​in toekomstige gegevensversleutelingsmethoden, gebruik individuele fotonen als een uiterst veilige manier om gegevens te coderen. Een beperking van deze technieken was het vermogen om fotonen met hoge snelheden uit te zenden. "Een van de belangrijkste verdienste voor bronnen van één foton is helderheid - of verzamelde fotonen per seconde - omdat hoe helderder het is, hoe meer gegevens u veilig kunt verzenden met kwantumversleuteling, " zei Yousif Kelaita, Nanoschaal en Quantum Fotonica Lab, Stanford universiteit, Californië.

In het journaal Optische materialen Express , Kelaita en zijn collega's laten zien dat hun nieuwe nanoholte de emissiehelderheid van kwantumdots aanzienlijk verhoogde - halfgeleiderdeeltjes op nanometerschaal die afzonderlijke fotonen kunnen uitzenden.

De onderzoekers creëerden de nieuwe nanoholte door sterk reflecterend zilver te gebruiken om de zijkanten van een halfgeleiderpilaar op nanoschaal op een substraat te coaten. Het zilver laat het licht rondkaatsen in de nanopilaar, waardoor het een zeer kleine optische holte wordt. De onderzoekers zeggen dat hetzelfde ontwerpconcept kan worden gebruikt om nanoholtes te bouwen van andere materialen die zijn afgestemd op verschillende single-photon emitters.

Licht vangen in een kleine ruimte

Op nanometerschaal, licht interageert op unieke manieren met materialen. Een voorbeeld is het Purcell-effect, die de emissie-efficiëntie van een kwantumdot of andere lichtemittor die in een kleine holte is opgesloten, verbetert. Systemen die Purcell-verbetering vertonen, zenden meer fotonen uit gedurende een bepaalde tijd, die kwantumversleutelingssystemen mogelijk maken die sneller werken dan nu mogelijk is.

Het bereiken van Purcell-verbetering profiteert van extreem kleine holtes omdat energie sneller wordt overgedragen tussen de lichtzender en de holte. Het is ook wenselijk om een ​​voldoende hoge kwaliteitsfactor te hebben, wat betekent dat de reflectie van de holte het licht lang laat kaatsen.

"We hebben een nieuw type holte gedemonstreerd met een volume dat meerdere orden van grootte lager is dan de huidige stand van de techniek in solid-state systemen, ", aldus Kelaita. "Het systeem produceert tegelijkertijd een sterke Purcell-verbetering en een hoge lichtverzamelingsefficiëntie, wat leidt tot een algehele toename van de helderheid van de enkelvoudige fotonbron."

Toen de onderzoekers de nieuwe nanoholtes testten, ze ontdekten dat de kwantumdots die in de nanoholtes waren geplaatst, meer fotonen per seconde uitzonden dan de kwantumdots die zich niet in zo'n holte bevonden.

Omdat de nanoholtes aan de bovenkant open zijn, uitgestraald licht kan rechtstreeks de lucht in. Soortgelijke nanoholtes die eerder zijn gemaakt, werden bedekt met een metalen coating die ongewenst was voor het verzamelen van uitgezonden fotonen. Het emissieprofiel van de nieuwe nanocavities komt ook goed overeen met standaard microscoopobjectieven, waardoor een hoog percentage van het licht de lens kan binnendringen. Een mismatch tussen het emissieprofiel en microscoopobjectieven heeft problematisch lichtverlies veroorzaakt in eerder ontwikkelde nanocavity-systemen.

De kleine holte maken

Het team gebruikte een aangepaste fabricagetechniek om de uitdaging van het coaten van de nanopilaren met metaal te overwinnen. Nanostructuren die lang en dun zijn, hebben de neiging om zogenaamde schaduweffecten te ervaren, omdat nanofabricagetechnieken een proces gebruiken waarbij metaal recht naar beneden op het apparaat valt, net als sneeuw.

"Als je je voorstelt dat er sneeuw op een boom valt, de sneeuw zal zich aan zichzelf vastklampen en zich op een tak ophopen op een manier dat deze een grotere breedte vormt, of heuvel, dan de tak zelf, "zei Kelaita. "Dit gebeurt ook als metaal op zoiets als een pilaar wordt afgezet. Terwijl het metaal zich aan zichzelf vastklampt, het creëert een grotere heuvel dan de pilaar eronder, voorkomen dat metaal onder de delen valt die de pilaar verduisteren. Uiteindelijk, dit schaduweffect creëert een luchtspleet in het apparaat."

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers roteerden en kantelden het monster tegelijkertijd om alle zijden van de pilaar tegelijk te bedekken. Zelfs met deze nieuwe aanpak ze moesten voorzichtig zijn met de hoek waaronder ze het metaal afzetten om geen verbinding te vormen tussen het metaal dat de zijkanten van de pilaar bedekt en het metaal erop. Als er een verbinding tot stand is gekomen, de laatste stap van het ultrasoon verwijderen van de metalen dop bovenop zou moeilijk of onmogelijk zijn.

"Andere groepen die met metaal werken, zouden in deze techniek geïnteresseerd moeten zijn, omdat dit schaduweffect zelfs optreedt voor functies die volledig zijn ingekapseld in metaal, ' zei Kelaita.

Nog betere nanoholtes

De onderzoekers werken nu aan het creëren van andere soorten nanoholtes met nog betere eigenschappen. Bijvoorbeeld, ze willen proberen nanoholtes te maken in diamant, die enkelvoudige fotonbronnen mogelijk zouden maken die bij kamertemperatuur werken, een belangrijke vereiste voor het opnemen van kwantumversleuteling in consumentenapparaten.

Ze willen de kennis die ze hebben opgedaan met dit nieuwe werk ook combineren met een inverse ontwerpalgoritme dat ze onlangs hebben ontwikkeld om automatisch fotonische apparaten te ontwerpen die op siliciumchips zijn geïntegreerd. Met het algoritme ingenieurs specificeren een gewenste functie en de software geeft instructies voor het maken van een structuur die die functie vervult.