Een efficiënte licht-materie-interface zou de basis kunnen vormen van kwantumcommunicatie. Echter, bepaalde structuren die tijdens het groeiproces worden gevormd, interfereren met het signaal.

Bepaalde halfgeleiderstructuren, zogenaamde kwantumdots, zou de basis kunnen vormen van kwantumcommunicatie. Ze zijn een efficiënte interface tussen materie en licht, met fotonen (lichtdeeltjes) uitgezonden door de kwantumstippen die informatie over grote afstanden transporteren. Echter, structuren worden standaard gevormd tijdens de fabricage van kwantumstippen die de communicatie verstoren. Onderzoekers van de Universiteit van Basel, Ruhr-Universität Bochum, en Forschungszentrum Jülich hebben deze interferenties nu met succes geëlimineerd. Ze hebben hun rapport in het tijdschrift gepubliceerd Communicatiefysica vanaf 9 augustus 2019.

Lichtdeeltjes die informatie over grote afstanden kunnen transporteren

Quantum dots kunnen in halfgeleiders worden gerealiseerd als onderzoekers een elektron en een elektronengat opsluiten - d.w.z. een positieve lading op een plaats waar een elektron zou moeten bestaan ​​- in een vernauwde ruimte. Samen, elektron en elektrongat vormen een aangeslagen toestand. Wanneer ze opnieuw combineren, de aangeslagen toestand verdwijnt en er wordt een foton gegenereerd. "Dat foton kan bruikbaar zijn als informatiedrager in kwantumcommunicatie over grote afstanden, " zegt Dr. Arne Ludwig van de leerstoel voor Toegepaste Vaste-stoffysica in Bochum.

De in Bochum vervaardigde quantum dots worden gegenereerd in het halfgeleidermateriaal indiumarsenide. De onderzoekers kweken het materiaal op een substraat van galliumarsenide. In het proces, een gladde indiumarsenidelaag vormt zich met een dikte van slechts anderhalve atoomlaag - de zogenaamde bevochtigingslaag. Vervolgens, de onderzoekers genereren eilandjes met een diameter van 30 nanometer en een hoogte van enkele nanometers. Dit zijn de kwantumstippen.

Storende fotonen van bevochtigende laag

De bevochtigende laag die in de eerste stap moet worden afgezet zorgt voor problemen, omdat het, te, bevat geëxciteerde elektrongattoestanden die vervallen en mogelijk fotonen vrijgeven. In de bevochtigende laag, deze toestanden vervallen zelfs nog gemakkelijker dan in de kwantumstippen. De fotonen die tijdens het proces worden uitgezonden, kunnen niet worden gebruikt in kwantumcommunicatie, echter; liever, ze genereren een statische ruis in het systeem.

"De bevochtigende laag bedekt het hele oppervlak, terwijl de kwantumstippen slechts een duizendste van de halfgeleiderchip bedekken, daarom is het storende licht ongeveer duizend keer sterker dan het licht dat door de kwantumstippen wordt uitgezonden, " legt Andreas Wieck uit, Hoofd van de leerstoel Toegepaste Vaste-stoffysica in Bochum. "De bevochtigende laag straalt fotonen uit met een iets hogere frequentie en met een veel hogere intensiteit dan de kwantumstippen. Het is alsof de kwantumstippen de kamerafstand A uitzenden, terwijl de bevochtigende laag een B uitzond die duizend keer luider was."

Extra laag elimineert interferenties

"We hebben die interferenties kunnen negeren door alleen de vereiste energietoestanden op te wekken, ", zegt Matthias Löbl van de Universiteit van Basel. "Echter, als kwantumdots worden gebruikt als informatie-eenheden voor kwantumtoepassingen, het kan ideaal zijn om ze met meer elektronen op te laden. Maar in dat geval, de energieniveaus in de bevochtigende laag zouden eveneens worden opgewonden, ", voegt Arne Ludwig toe.

Het onderzoeksteam heeft deze interferentie nu geëlimineerd door een aluminiumarsenidelaag toe te voegen die boven de kwantumstippen in de bevochtigingslaag is gegroeid. De energietoestanden in de bevochtigende laag worden zo verwijderd, die, beurtelings, maakt het minder waarschijnlijk dat elektronen en elektronengaten recombineren en fotonen uitzenden.