Onderzoekers van het Graphene Flagship gebruiken gelaagde materialen om volledig elektrische quantum light emitting diodes (LED) met enkelvoudige fotonenemissie te creëren. Deze LED's hebben potentieel als on-chip fotonbronnen in kwantuminformatietoepassingen.

Atomair dunne LED's die één foton tegelijk uitzenden, zijn ontwikkeld door onderzoekers van het Graphene Flagship. Gemaakt van lagen van atomair dunne materialen, inclusief overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), grafeen, en boornitride, de ultradunne LED's die volledig elektrische enkelvoudige fotongeneratie tonen, kunnen uitstekende kwantumlichtbronnen op de chip zijn voor een breed scala aan fotonica-toepassingen voor kwantumcommunicatie en -netwerken. Het onderzoek, gemeld in Natuurcommunicatie , werd geleid door de Universiteit van Cambridge, VK.

De ultradunne apparaten die in het artikel worden vermeld, zijn gemaakt van dunne lagen van verschillende gelaagde materialen, op elkaar gestapeld om een ​​heterostructuur te vormen. Elektrische stroom wordt in het apparaat geïnjecteerd, tunnelen van enkellaags grafeen, door een laag boornitride dat als tunnelbarrière fungeert, en in het mono- of bi-layer TMD-materiaal, zoals wolfraamdiselenide (WSe2), waar elektronen recombineren met gaten om enkele fotonen uit te zenden. Bij hoge stromen, deze recombinatie vindt plaats over het hele oppervlak van het apparaat, terwijl bij lage stromen, het kwantumgedrag is duidelijk en de recombinatie is geconcentreerd in sterk gelokaliseerde kwantumstralers.

Volledig elektrische enkelvoudige fotonenemissie is een topprioriteit voor geïntegreerde kwantumopto-elektronica. Typisch, enkelvoudige foton generatie is afhankelijk van optische excitatie en vereist grootschalige optische opstellingen met lasers en nauwkeurige uitlijning van optische componenten. Dit onderzoek brengt on-chip enkelvoudige fotonenemissie voor kwantumcommunicatie een stap dichterbij. Professor Mete Atatüre (Laboratorium Cavendish, Universiteit van Cambridge, VK), co-auteur van het onderzoek, legt uit:"Uiteindelijk in een schaalbaar circuit, we hebben volledig geïntegreerde apparaten nodig die we kunnen bedienen door elektrische impulsen, in plaats van een laser die zich richt op verschillende segmenten van een geïntegreerde schakeling. Voor kwantumcommunicatie met enkele fotonen, en kwantumnetwerken tussen verschillende knooppunten - bijvoorbeeld om qubits te koppelen - we willen gewoon stroom kunnen aansturen, en doe het licht uit. Er zijn veel emitters die optisch prikkelbaar zijn, maar slechts een handvol is elektrisch aangedreven" In hun apparaten, een bescheiden stroom van minder dan 1 µA zorgt ervoor dat het enkel-fotongedrag de emissiekarakteristieken domineert.

De gelaagde structuur van TMD's maakt ze ideaal voor gebruik in ultradunne heterostructuren voor gebruik op chips, en voegt ook het voordeel toe van atomair nauwkeurige laaginterfacing. De kwantumstralers zijn zeer gelokaliseerd in de TMD-laag en hebben spectraal scherpe emissiespectra. De gelaagde aard biedt ook een voordeel ten opzichte van sommige andere single-photon emitters voor haalbare en effectieve integratie in nanofotonische circuits. Professor Frank Koppens (ICFO, Spanje), leider van Werkpakket 8 - Opto-elektronica en fotonica, voegt toe:"Elektrisch aangedreven enkelvoudige fotonbronnen zijn essentieel voor veel toepassingen, en deze eerste realisatie met gelaagde materialen is een echte mijlpaal. Dit ultradunne en flexibele platform biedt een hoge mate van afstembaarheid, ontwerp vrijheid, en integratiemogelijkheden met nano-elektronische platforms, waaronder silicium CMOS."

Dit onderzoek is een fantastisch voorbeeld van de mogelijkheden die met nieuwe ontdekkingen over materialen kunnen ontstaan. Er is pas zeer recent ontdekt dat kwantumdots bestaan ​​in gelaagde TMD's, met onderzoek dat begin 2015 gelijktijdig werd gepubliceerd door verschillende onderzoeksgroepen, waaronder groepen die momenteel werken binnen het Graphene Flagship. Dr. Marek Potemski en medewerkers van CNRS (Frankrijk) in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Warschau (Polen) ontdekten stabiele kwantumstralers aan de randen van WSe2-monolagen, met zeer gelokaliseerde fotoluminescentie met emissiekenmerken van één foton. Professor Kis en collega's van ETH Zürich en EPFL (Zwitserland) observeerden ook enkele fotonstralers met smalle lijnbreedten in WSe2. Tegelijkertijd, Professor van der Zant en collega's van de Technische Universiteit Delft (Nederland), in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben we vastgesteld dat de gelokaliseerde emitters in WSe2 te wijten zijn aan ingesloten excitonen, en suggereerde dat ze afkomstig zijn van structurele defecten. Deze kwantumstralers hebben het potentieel om onderzoek naar de meer traditionele kwantumpunt-tegenhangers te vervangen vanwege hun talrijke voordelen van de ultradunne apparaten van de gelaagde structuren.

Met dit onderzoek, kwantumstralers worden nu gezien in een ander TMD-materiaal, namelijk wolfraamdisulfide (WS2). Professor Atatüre zegt:"We hebben voor WS2 gekozen omdat het een hogere bandgap heeft, en we wilden zien of verschillende materialen verschillende delen van de spectra boden voor enkelvoudige fotonenemissie. Hiermee, we hebben aangetoond dat de kwantumemissie geen uniek kenmerk is van WSe2, wat suggereert dat veel andere gelaagde materialen mogelijk ook kwantumpuntachtige functies kunnen bevatten."

Professor Andrea Ferrari (Universiteit van Cambridge, VK), Voorzitter van het Graphene Flagship Management Panel, en de wetenschaps- en technologiefunctionaris van het vlaggenschip, was ook co-auteur van het onderzoek. Hij voegt eraan toe:"We krabben nog maar aan de oppervlakte van de vele mogelijke toepassingen van apparaten die zijn gemaakt door grafeen te combineren met andere isolerende, halfgeleidend, supergeleidende of metallische gelaagde materialen. In dit geval, niet alleen hebben we controleerbare fotonbronnen aangetoond, maar we hebben ook aangetoond dat het gebied van kwantumtechnologieën enorm kan profiteren van gelaagde materialen. We hopen dat dit synergieën zal opleveren tussen het Graphene Flagship en zijn onderzoekers, en het onlangs aangekondigde vlaggenschip Quantum Technologies, in de komende jaren beginnen. Er zullen zeker nog veel meer spannende resultaten en toepassingen volgen".