Broadband emitter localization and prefabrication two-photon interference from InAs/InP quantum dots monolithically grown on an InGaAsP/InP distributed Bragg reflector

لبناء مستقبل تتواصل فيه الحواسيب باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء، يحتاج العلماء إلى طريقة موثوقة لتوليد جسيمات ضوئية مفردة، تُعرف باسم الفوتونات، واحدة تلو الأخرى. هذه الحزم الصغيرة من الطاقة هي الوحدات الأساسية لنوع جديد من التكنولوجيا تسمى معالجة المعلومات الكمومية، والتي تعد بحل مشكلات مستعصية حالياً على الحواسيب القياسية. ومع ذلك، فإن إنشاء تدفق مستمر من هذه الفوتونات المفردة أمر صعب. وتعد المصادر الأكثر واعدة هي ذرات اصطناعية متناهية الصغر مصنوعة من مواد أشباه الموصلات، تُسمى النقاط الكمومية. وبينما يمكن لهذه النقاط إصدار الضوء المطلوب، إلا أنها غالباً ما تكون مبعثرة عشوائياً عبر سطح ما، ويشكل التقاط ضوئها بكفاءة عقبة رئيسية. علاوة على ذلك، لكي تعمل هذه الأنظمة في شبكات الألياف الضوئية في العالم الحقيقي، يجب أن يكون الضوء بلون محدد، يُعرف بنطاق الاتصالات (C-band)، والذي ينتقل عبر الكابلات الزجاجية بأقل قدر من الفقد. ويكمن التحدي في إنشاء نظام لا ينتج هذه الفوتونات عالية الجودة فحسب، بل يسمح للعلماء أيضاً بالعثور على نقاط محددة واستهدافها قبل بناء أجهزة معقدة حولها، وكل ذلك دون إضعاف الخصائص الدقيقة للضوء نفسه.

لقد أظهر باحثون في بولندا الآن نهجاً جديداً يعالج هذه المشكلات عن طريق تنمية طبقة متخصصة من المواد على رقاقة بلورية واحدة. فقد أنشأوا منصة باستخدام نقاط كمومية منخفضة الكثافة مكونة من زرنيخيد الإنديوم وفوسفيد الإنديوم، موضوعة فوق هيكل يشبه المرآة يسمى عاكس "براغ" الموزع. هذه المرآة ليست مج القدر من المعدن، بل هي مكونة من طبقات متبادلة من مواد أشباه موصلات مختلفة، هندست لتعكس الضوء ضمن نطاق ألوان محدد. كان الهدف هو إنشاء نظام يعمل كمستخرج ضوء عريض النطاق، مما يعزز كمية الضوء التي تهرب من النقاط الكمومية إلى الهواء فوقها، مما يجعلها أسهل في الرؤية والدراسة. ومن خلال التصميم الدقيق لسُمك الطبقات بين النقاط والمرآة، حامت المحاكلة التي أجراها الفريق إلى أن هذا الهيكل يمكنه التقاط أكثر من عشرة بالمائة من الضوء المنبعث ضمن نطاق ألوان يبلغ أربعين نانومتراً، وهو تحسن كبير مقارنة بالإعدادات القياسية حيث يُفقد معظم الضوء أو يُحبس داخل المادة.

قام الفريق بتنمية هذا الهيكل بالكامل في عملية مستمرة واحدة باستخدام تقنية تسمى الترسيب البخاري العضوي المعدني، والتي تسمح بالتحكم الدقيق في الطبقات الذرية. قاموا أولاً بمعايرة معدلات النمو لضمان أن تكون الطبقات بالسُمك الصحيح لتشكيل مرآة فعالة لنطاق الاتصالات (C-band). بلغ سُمك طبقة المرآة الناتجة حوالي 4.8 ميكرومتر وانتهت بطبقة فاصلة وضعت النقاط الكمومية في الارتفاع الأمثل للاستفادة من انعكاس المرآة. وللتحقق من جودة نموهم، فحصوا السطح باستخدام مجهر القوة الذرية ووجدوا أن النقاط الكمومية كانت متفرقة، بكثافة تبلغ حوالي 130 مليون نقطة لكل سنتيمتر مربع. وكانت هذه النقاط متجانسة بشكل ملحوظ في الحجم والشكل، حيث تشبه أهرامات صغيرة مسطحة القمة ذات قاعدة مربعة، وهي سمة مرغوبة لإنتاج ضوء ثابت. كما أكد الباحثون أن هيكل المرآة يعمل كما هو مخطط له من خلال قياس انعكاسيته، والتي وصلت إلى ما يقرب من 99 بالمائة عند الطول الموجي المستهدف، مما خلق نافذة واسعة يمكن للضوء من خلالها الهروب بكفاءة.

بعد أن أصبح الهيكل جاهزاً، انتقل الباحثون إلى المهمة الحاسمة المتمثلة في العثور على نقاط كمومية فردية لاستخدامها كمصادر. وبفضل تعزيز المرآة لإنتاج الضوء، تمكنوا من استخدام كاميرا ذات مجال واسع لالتقاط صور للعينة أثناء تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ومن خلال ترشيح الضوء للنظر فقط في الألوان المحددة التي تنبعث من النقاط، استطاعوا عزل البواعث المنفردة عن ضوضاء الخلفية. وقد سمح السطوع المعزز بتحديد الموقع الدقيق لنقطة واحدة بدقة إحصائية تبلغ حوالي 2.5 نانومتر. وهذا المستوى من الدقة أمر بالغ الأهمية لأن هذا يعني أنه يمكن للعلماء رسم خريطة لموقع نقطة معينة بتفاصيل كافية لبناء جهاز مخصص لاحقاً، مثل تجويف صغير أو عدسة، مباشرة فوقها. هذه القدرة تحول العملية من بحث عشوائي إلى سير عمل حتمي، حيث يمكن اختيار بواعث محددة عالية الجودة ودمجها في دوائر معقدة.

بمجرد تحديد نقطة واحدة، درس الفريق جودة الفوتونات التي تبعثها. ركزوا على نوع محدد من الانبعاث ناتج عن "إكسيتون مشحون"، وهي حالة يرتبط فيها إلكترون وثقب مع شحنة إضافية، مما يصدر ضوءاً عند طول موجي قدره 1549.5 نانومتر. وباستخدام ليزر نبضي لإثارة النقطة، قاموا بقياس مدى تكرار انبعاث النقطة لفوتونين في آن واحد، وهو علامة على عدم النقاء. ووجدوا أن النقطة تبعث فوتونات مفردة بنقاء يبلغ حوالي 94.7 بالمائ %، مما يعني أنها نادراً ما ترتكب خطأ إرسال فوتونين معاً. والأهم من ذلك، اختبروا ما إذا كانت الفوتونات متطابقة مع بعضها البعض، وهي خاصية تُعرف باسم "عدم التمييز"، وهي ضرورية للتداخل الكمومي. ومن خلال إرسال أزواج من الفوتونات من النقطة إلى مقياس تداخل خاص، لاحظوا أن الفوتونات تداخلت مع بعضها البعض بوضوح بلغ 51 بالمائ % ضمن نافذة زمنية تبلغ نانوثانيتين. وانخفض هذا الوضوح إلى 41 بالمائ % عند قياسه عبر نافذة أطول تبلغ أربع نانوثانية، لكن هذه النتائج تحققت دون استخدام أي هياكل إضافية لتسريع الانبعاث اصطناعياً، وهو أمر مطلوب غالباً لتحقيق مثل هذا التماسك العالي.

تكمن أهمية هذا العمل في حقيقة أن الباحثين حققوا هذه النتائج باستخدام هيكل مستوٍ بسيط وغير معالج. ففي العديد من التجارب السابقة، لم تُلاحظ مستويات عالية من عدم تمييز الفوتونات إلا بعد دمج النقاط الكمومية في تجاويف رنينية معقدة تعزز معدل انبعاثها. هنا، أظهر الفريق أن الجودة الجوهرية للضوء المنبعث من النقاط الكمومية كانت عالية بما يكفي لإنتاج تأثيرات تداخل قوية بمجرد وضعها على مرآة عريضة النطاق. وهذا يشير إلى أن النظام المادي قوي وأن الفوتونات تحتفظ بخصائصها الكمومية حتى قبل البدء في تصنيع أي جهاز نهائي. إن الجمع بين الاستخراج الفعال للضوء، والتحديد الدقيق للبواعث، والتماسك الفوتوني العالي في منصة متجانسة واحدة، يوفر أساساً متيناً لبناء الأجهزة الكمومية المستقبلية. كما يثبت أنه من خلال الهندسة الدقيقة لنمو المواد والمرآة الأساسية، من الممكن إنشاء نقطة انطلاق للتكنولوجيا الكمومية تكون قابلة للتوسع وقادرة على تقديم الضوء عالي الجودة المطلوب للتطبيقات المتقدمة في الاتصالات الآمنة والحوسبة الكمومية.