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

Um eine Zukunft aufzubauen, in der Computer mit Licht anstatt mit Elektrizität kommunizieren, benötigen Wissenschaftler eine zuverlässige Methode, um einzelne Teilchen des Lichts, sogenannte Photonen, einzeln zu erzeugen. Diese winzigen Energiepakete sind die grundlegenden Einheiten für eine neue Art von Technologie namens Quanteninformationsverarbeitung, die verspricht, Probleme zu lösen, die für Standardcomputer derzeit unmöglich sind. Die Erzeugung eines stetigen Stroms dieser einzelnen Photonen ist jedoch schwierig. Die vielversprechendsten Quellen sind winzige, künstliche Atome aus Halbleitermaterialien, die als Quantenpunkte bezeichnet werden. Obwohl diese Punkte das erforderliche Licht emittieren können, sind sie oft zufällig über einer Oberfläche verstreut, und das effiziente Einfangen ihres Lichts stellt eine große Hürde dar. Darüber hinaus muss das Licht für diese Systeme in realen Glasfasernetzen eine spezifische Farbe haben, bekannt als die Telekom-C-Band, welches durch Glaskabel mit minimalem Verlust reist. Die Herausforderung besteht darin, ein System zu schaffen, das nicht nur diese hochwertigen Photonen produziert, sondern es den Wissenschaftler auch ermöglicht, gezielt bestimmte Punkte zu finden und anzuvisieren, bevor sie komplexe Bauteile um sie herum bauen – und das alles, ohne die empfindlichen Eigenschaften des Lichts selbst zu beeinträchtigen.

Forscher in Polen haben nun einen neuen Ansatz demonstriert, der diese Probleme angeht, indem sie einen spezialisierten Materialstapel auf einem Einkristallwafer aufwachsen lassen. Sie schufen eine Plattform aus niedrig dichten Quantenpunkten aus Indiumarsenid und Indiumphosphid, die auf einer spiegelähnlichen Struktur, einem sogenannten Bragg-Reflektor, platziert wurden. Dieser Spiegel ist keine einfache Metallplatte, sondern besteht aus abwechselnden Schichten verschiedener Halbleitermaterialien, die darauf ausgelegt sind, Licht eines spezifischen Farbbereichs zurück nach oben zu reflektieren. Das Ziel war es, ein System zu schaffen, das als Breitband-Lichtextraktor fungiert und die Menge des aus den Quantenpunkten in die Luft darüber entweichenden Lichts steigert, wodurch sie leichter zu sehen und zu untersuchen sind. Durch die sorgfältige Gestaltung der Schichtdicke zwischen den Quantenpunkten und dem Spiegel simulierten die Forscher, dass diese Struktur mehr als zehn Prozent des emittierten Lichts innerhalb eines Farbbereichs von vierzig Nanometern erfassen kann, was eine signifikante Verbesserung gegenüber Standardaufbauten darstellt, bei denen der Großteil des Lichts verloren geht oder im Material gefangen bleibt.

Das Team ließ diese gesamte Struktur in einem kontinuierlichen Prozess mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie aufwachsen, was eine präzise Kontrolle über die atomaren Schichten ermöglicht. Zuerst kalibrierten sie die Wachstumsraten, um sicherzustellen, dass die Schichten die korrekte Dicke hatten, um einen effektiven Spiegel für das Telekom-C-Band zu bilden. Der resultierende Spiegelstapel war etwa 4,8 Mikrometer dick und endete mit einer Spacer-Schicht, die die Quantenpunkte in der optimalen Höhe positionierte, um vom Reflexionsvermögen des Spiegels zu profitieren. Um die Qualität ihres Wachstums zu überprüfen, untersuchten sie die Oberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie und stellten fest, dass die Quantenpunkte spärlich verteilt waren, mit einer Dichte von etwa 130 Millionen Punkten pro Quadratzentimeter. Diese Punkte waren bemerkenswert einheitlich in Größe und Form und ähnelten kleinen, flach gedeckten Pyramiden mit quadratischer Basis, was eine wünschenswerte Eigenschaft für die Erzeugung konsistenten Lichts ist. Die Forscher bestätigten zudem, dass die Spiegelstruktur wie beabsichtigt funktionierte, indem sie die Reflektivität maßen, die bei der Zielwellenlänge nahezu 99 Prozent erreichte und so ein breites Fenster schuf, in dem Licht effizient entweichen konnte.

Nachdem die Struktur bereit war, widmete sich das Team der kritischen Aufgabe, einzelne Quantenpunkte zu finden, die als Quellen dienen können. Da der Spiegel die Lichtausbeute steigerte, konnten sie eine Weitfeldkamera verwenden, um Bilder der Probe aufzunehmen, während diese auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wurde. Durch die Filterung des Lichts, um nur die spezifischen Farben zu betrachten, die von den Punkten emittiert werden, konnten sie einzelne Emitter vom Hintergrundrauschen isolieren. Die erhöhte Helligkeit ermöglichte es ihnen, den genauen Ort eines einzelnen Punktes mit einer statistischen Präzision von etwa 2,5 Nanometern zu bestimmen. Diese Genauigkeit ist entscheidend, da sie bedeutet, dass Wissenschaftler die Position eines spezifischen Punktes mit genügend Detailtiefe kartieren können, um später ein maßgeschneidertes Bauteil, wie etwa einen winzigen Resonator oder eine Linse, direkt darüber zu bauen. Diese Fähigkeit verwandelt den Prozess von einer Zufallssuche in einen deterministischen Arbeitsablauf, bei dem spezifische, hochwertige Emitter ausgewählt und in komplexe Schaltkreise integriert werden können.

Sobald ein einzelner Punkt identifiziert worden war, untersuchte das Team die Qualität der von ihm emittierten Photonen. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art der Emission eines geladenen Exzitons – ein Zustand, in dem ein Elektron und ein Loch mit einer zusätzlichen Ladung gebunden sind –, welches Licht bei einer Wellenlänge von 1549,5 Nanometern aussandte. Unter Verwendung eines gepulsten Lasers zur Anregung des Punktes maßen sie, wie häufig der Punkt zwei Photonen gleichzeitig emittierte, was ein Zeichen für Unreinheit ist. Sie fanden heraus, dass der Punkt einzelne Photonen mit einer Reinheit von etwa 94,7 Prozent emittierte, was bedeutet, dass er selten den Fehler beging, zwei Photonen zusammen zu senden. Noch wichtiger war, dass sie testeten, ob die Photonen untereinander identisch waren, eine Eigenschaft, die als Ununterscheidbarkeit bekannt ist und für die Quanteninterferenz essenziell ist. Indem sie Paare von Photonen des Punktes in einen speziellen Interferometer leiteten, beobachteten sie, dass die Photonen mit einer Sichtbarkeit von 51 Prozent innerhalb eines Zeitfensters von zwei Nanosekunden miteinander interferierten. Diese Sichtbarkeit sank auf 41 Prozent, wenn sie über ein längeres Zeitfenster von vier Nanosekunden gemessen wurde, aber diese Ergebnisse wurden erzielt, ohne dass zusätzliche Strukturen verwendet wurden, um die Emission künstlich zu beschleunigen, was oft erforderlich ist, um eine solche Kohärenz zu erreichen.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, dass die Forscher diese Ergebnisse mit einer einfachen, unverarbeiteten planaren Struktur erzielten. In vielen früheren Experimenten wurden hohe Werte der Photonen-Ununterscheidbarkeit erst beobachtet, nachdem die Quantenpunkte in komplexe resonante Kavitäten eingebettet worden waren, die deren Emissionsrate verstärkten. Hier zeigten die Forscher, dass die intrinsische Qualität des Lichts der Quantenpunkte bereits hoch genug war, um starke Interferenzeffekte allein durch die Platzierung auf einem Breitbandspiegel zu erzeugen. Dies deutet darauf hin, dass das Materialsystem robust ist und die Photonen ihre Quanteneigenschaften auch vor der endgültigen Bauteilfertigung beibehalten. Die Kombination aus effizienter Lichtextraktion, präziser Emitterlokalisierung und hoher Photonenkohärenz in einer einzigen monolithischen Plattform bietet eine solide Grundlage für den Bau zukünftiger Quantengeräte. Es zeigt, dass es durch die sorgfältige Gestaltung des Materialwachstums und des zugrunde liegenden Spiegels möglich ist, einen Ausgangspunkt für die Quantentechnologie zu schaffen, der sowohl skalierbar als auch in der Lage ist, das hochwertige Licht für fortgeschrittene Anwendungen in der sicheren Kommunikation und im Quantencomputing zu liefern.