Kwantumstralers zijn essentieel voor een reeks technologieën, waaronder leds, lasers en, vooral, fotonische kwantumcommunicatie en rekenprotocollen. Tot dusver, wetenschappers hebben zich tot diamant en siliciumcarbide (SiC) gewend om bronnen van enkelvoudige fotonen te ontwikkelen vanwege hun brede bandafstand en uitstekende optische eigenschappen. Echter, de tekortkomingen van deze halfgeleiders worden benadrukt door pogingen om dit soort kwantumemissie op een geïntegreerde manier te manipuleren en te routeren om schaalbare systemen te creëren.

Nu Tsung-Ju Lu en Benjamin Lienhard, en een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de City University of New York in de VS, onder leiding van MIT's Dirk Englund, kwantumstralers hebben geproduceerd in een III-V-halfgeleider, aluminiumnitride (AlN). AIN is al goed ingeburgerd in de opto-elektronica- en hoogspanningselektronica-industrie. Door het AlN te modelleren met de ingebedde kwantumstralers, ze waren in staat om de emitters rechtstreeks in een fotonisch circuit te integreren.

Kwantumemissie krijgen

Lu beschrijft kwantumstralers als lichtbronnen die enkele fotonen uitzenden. "Ze kunnen mogelijk elektronenspintoestanden hebben die een kwantumbit kunnen vormen, of qubit, waarin de enkele lichtdeeltjes uitgezonden door de kwantumstraler de informatie van de qubit dragen, ", vertelt hij aan Phys.org. Het is bij het routeren van de informatie van de qubit met behulp van fotonische geïntegreerde schakelingen dat er problemen ontstaan ​​met kwantumstralers geproduceerd in diamant of SiC, omdat onderzoekers deze materialen niet als dunne films kunnen laten groeien op een substraat met een lage brekingsindex, die nodig is voor de totale interne reflectie in fotonische golfgeleiders.

Een veelbelovende manier om dit te omzeilen is om deze materialen te combineren met andere materialen die al goed ingeburgerd zijn als fotonische geïntegreerde schakelingsplatforms om de geproduceerde fotonen om te leiden, maar dit introduceert potentiële inefficiënties bij het verbinden tussen verschillende materialen. Lu en zijn collega's hadden al een AlN-op-saffier fotonica-platform ontwikkeld met als doel de interactie met goed bestudeerde kwantumstralers in andere materialen zoals diamant.

"Aangezien AlN een van de grootste bandgaps heeft van alle halfgeleidermaterialen, het was natuurlijk voor ons om te onderzoeken of AlN zelf al dan niet gastheer kan zijn voor kwantumstralers die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd en verbonden met ons AlN-op-saffierfotonicaplatform, " hij zegt.

Verwarmd tot in de perfectie

De onderzoekers begonnen met wafels bestaande uit dicht opeengepakte hexagonale nanokolommen van AlN die bovenop saffier waren gegroeid en produceerden kwantumstralers in het materiaal door het te bombarderen met heliumionen met behulp van een heliumionmicroscoop om op vacatures gebaseerde defecten te produceren waarin één atoom in het kristalrooster ontbreekt. De defectcentra hebben een elektronische energieniveaustructuur die lijkt op die van atomen. Als zodanig, het defectcentrum kan worden gestimuleerd tot de aangeslagen toestand door er met een laser op te schijnen, en een enkel foton wordt uitgezonden wanneer het terugvalt naar de grondtoestand. Deze enkele fotonenemissie heeft een "anti-bundeling"-karakteristiek - omdat de kwantumemitter slechts één foton tegelijk uitzendt, een eindige tijdsperiode verstrijkt tussen fotonenemissies.

Halfgeleiders vereisen doorgaans een hoge kristalliniteit om stabiele kwantumemitters te hosten. De vangst is dat wanneer AlN-films op een ander materiaal groeien, bijvoorbeeld, saffier zoals in het huidige werk, het moet vrij dik zijn om een ​​hoge kristalliniteit te verkrijgen. Als resultaat, toen de onderzoekers hun dunne films bestudeerden die waren behandeld met heliumionen, gevolgd door uitgloeien bij 700 graden C om kwantumstralers te vormen, hun fotoluminescentiemetingen werden overspoeld met achtergrondgeluid, de aanwezigheid van kwantumstralers verbergen. Gelukkig, ze ontdekten dat een behandeling bij hoge temperatuur bij een nog hogere temperatuur van 1000 graden C de kristalliniteit in voldoende mate zou kunnen verbeteren om enkele foton-emitters op te lossen.

De onderzoekers hebben de kwantumstralers gemeten en gekarakteriseerd in monsters die zijn uitgegloeid bij 1000 ° C, waarvan is aangetoond dat ze een hoge emissietelling hebben met behoud van een uitzonderlijke zuiverheid van één foton, allemaal tijdens het werken bij kamertemperatuur. Verder, door het monster te modelleren met elementen zoals gedistribueerde Bragg-reflectoren, spectrale filters, bundelsplitsers en rand- of roosterkoppelingen, ze zouden de kwantumstralers direct kunnen integreren in fotonische circuits, toont het potentieel voor het creëren van hoogwaardige kwantumemitters die monolithisch zijn geïntegreerd in een breed scala aan op AlN gebaseerde apparaten.

Nadat de uitstekende optische eigenschappen van de AlN-kwantumstralers zijn vastgesteld, de onderzoekers zijn vervolgens van plan hun exacte oorsprong vast te stellen om inzicht te krijgen in de vraag of ze spintoestanden hebben die optisch kunnen worden gecontroleerd om als qubits te fungeren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk