Onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben aangetoond dat defecten aan een atomair dunne halfgeleider lichtgevende kwantumstippen kunnen produceren. De kwantumstippen dienen als een bron van enkele fotonen en kunnen nuttig zijn voor de integratie van kwantumfotonica met solid-state elektronica - een combinatie die bekend staat als geïntegreerde fotonica.

Wetenschappers zijn geïnteresseerd geraakt in geïntegreerde solid-state apparaten voor het verwerken van kwantuminformatie. Quantum dots in atomair dunne halfgeleiders kunnen niet alleen een raamwerk bieden om de fundamentele fysica van hun interactie te onderzoeken, maar maken ook nanofotonica-toepassingen mogelijk, zeggen de onderzoekers.

Quantum dots worden vaak kunstmatige atomen genoemd. Het zijn kunstmatig geconstrueerde of natuurlijk voorkomende defecten in vaste stoffen die worden bestudeerd voor een breed scala aan toepassingen. Nick Vamivakas, assistent-professor in de optica aan de Universiteit van Rochester en senior auteur op het papier, voegt eraan toe dat atomair dun, 2D materialen, zoals grafeen, hebben ook belangstelling gewekt bij wetenschappers die hun potentieel voor opto-elektronica willen verkennen. Echter, tot nu, optisch actieve quantum dots zijn niet waargenomen in 2D-materialen.

In een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie deze week, de Rochester-onderzoekers laten zien hoe wolfraamdiselenide (WSe2) kan worden gevormd tot een atomair dunne halfgeleider die dient als een platform voor solid-state kwantumstippen. Misschien wel het belangrijkste is dat de defecten die de stippen creëren de elektrische of optische prestaties van de halfgeleider niet belemmeren en ze kunnen worden gecontroleerd door elektrische en magnetische velden aan te leggen.

Vamivakas legt uit dat de helderheid van de emissie van kwantumdots kan worden geregeld door de spanning aan te leggen. Hij voegt eraan toe dat de volgende stap is om spanning te gebruiken om "de kleur af te stemmen" van de uitgezonden fotonen, die het mogelijk kan maken om deze kwantumstippen te integreren met nanofotonische apparaten.

Een belangrijk voordeel is dat het veel gemakkelijker is om kwantumdots te maken in atomair dun wolfraamdiselenide in vergelijking met het maken van kwantumdots in meer traditionele materialen zoals indiumarsenide.

"We beginnen met een zwart kristal en dan pellen we er lagen van af totdat we later een extreem dunne laag hebben, een atomair dun vel wolfraamdiselenide, ' zei Vamivakas.

De onderzoekers nemen twee van deze atomair dunne platen en leggen ze over elkaar heen. Op het punt waar ze elkaar overlappen, er ontstaat een kwantumpunt. Door de overlap ontstaat er een defect in de verder gladde 2D-plaat van halfgeleidermateriaal. De extreem dunne halfgeleiders zijn veel gemakkelijker te integreren met andere elektronica.

De kwantumstippen in wolfraamdiselenide hebben ook een intrinsieke kwantumvrijheidsgraad - de elektronenspin. Dit is een wenselijke eigenschap omdat de spin zowel kan fungeren als een opslag van kwantuminformatie als een sonde van de lokale kwantumpuntomgeving kan bieden.

"Wat wolfraamdiselenide extreem veelzijdig maakt, is dat de kleur van de enkele fotonen die door de kwantumstippen worden uitgezonden, gecorreleerd is met de kwantumdot-spin, "zei eerste auteur Chitraleema Chakraborty. Chakraborty voegde eraan toe dat het gemak waarmee de spins en fotonen met elkaar interageren, deze systemen ideaal zou moeten maken voor kwantuminformatietoepassingen en metrologie op nanoschaal.