Kropki kwantowe zbudowane do emisji pojedynczych fotonów
Metoda wytwarzania kropek kwantowych pozwala na uwalnianie pojedynczych fotonów.Podejście to mogłoby wspierać systemy komunikacji kwantowej i fotoniczne obliczenia kwantowe.
Naukowcy z Instytutu Fizyki Gleba Wataghina na Uniwersytecie Stanowym w Campinas w Brazylii opracowali sposób wytwarzania półprzewodnikowych kropek kwantowych emitujących pojedyncze fotony.Krok ten mógłby wspierać komunikację kwantową i fotoniczne obliczenia kwantowe.Zespół zastosował technikę wytwarzania zwaną lokalnym trawieniem kropelkowym, aby stworzyć kropki kwantowe o niższej gęstości i symetrii, umożliwiające stabilną emisję pojedynczych fotonów.
Kropki kwantowe to struktury półprzewodnikowe w skali nano, które ograniczają elektrony i dziury.Pobudzone przez laser emitują światło o określonej długości fali.Ponieważ mogą uwalniać pojedyncze fotony lub splątane pary fotonów, są komponentami technologii kwantowych, takich jak systemy komunikacyjne i fotoniczne procesory kwantowe.
Wiele eksperymentów opiera się na kropkach kwantowych arsenku indu i galu wytwarzanych metodą wzrostu Strańskiego-Krastanowa.W procesie tym jedna warstwa kryształów narasta na drugiej zgodnie ze strukturą sieciową podłoża.Technika ta często pozwala uzyskać kropki kwantowe o gęstości powierzchniowej i zmienności strukturalnej, co utrudnia izolowanie emiterów fotonów.Kropki wykazują również czas życia promieniowania wynoszący około jednej nanosekundy i pozostawiają warstwę zwilżającą, która może wprowadzać efekty elektroniczne.
Aby rozwiązać te problemy, badacze wykorzystali lokalne trawienie kropelkowe podczas wzrostu kryształów.Krople metalu tworzą się na powierzchni i tworzą nanownęki.Wnęki te są następnie wypełniane w kontrolowany sposób, aby wytworzyć kropki kwantowe o regulowanej gęstości.
Nanowgłębienia wypełniono cienką warstwą arsenku indu i galu o grubości około jednego nanometra.Zmniejszyło to obciążenie i poprawiło zachowanie optyczne.Pomiary wykazały gęstość powierzchniową wynoszącą około 0,2 do 0,3 kropek kwantowych na mikrometr kwadratowy, co ułatwia izolowanie emiterów.
Struktury wytwarzały również szybszą emisję fotonów.Czas życia promieniowania zmierzono przy około 300 pikosekundach, czyli około trzy razy krócej niż w przypadku kropek kwantowych wytwarzanych konwencjonalnymi metodami wzrostu.
Naukowcy dostosowali także stężenie indu, aby kontrolować długość fali emitowanego światła.Emisję można regulować w zakresie od około 780 do 900 nanometrów w temperaturach kriogenicznych, czyli w zakresie stosowanym w układach fotonicznych.
Zespół zbadał także rozszczepienie drobnych struktur – parametr określający, czy kropki kwantowe mogą generować pary fotonów splątane polaryzacją.Zmierzone wartości były porównywalne z wynikami odnotowanymi w podobnych systemach, co wskazuje na zastosowanie w kryptografii kwantowej i sieciach kwantowych.
