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

Para construir un futuro donde las computadoras se comuniquen utilizando luz en lugar de electricidad, los científicos necesitan una forma confiable de generar partículas individuales de luz, conocidas como fotones, una a la vez. Estos diminutos paquetes de energía son las unidades fundamentales para un nuevo tipo de tecnología llamada procesamiento de información cuántica, que promete resolver problemas que son actualmente imposibles para las computadoras estándar. Sin embargo, crear un flujo constante de estos fotones individuales es difícil. Las fuentes más prometedoras son diminutos átomos artificiales hechos de materiales semiconductores, llamados puntos cuánticos. Aunque estos puntos pueden emitir la luz requerida, a menudo están dispersos aleatoriamente a través de una superficie, y capturar su luz de manera eficiente es un obstáculo importante. Además, para que estos sistemas funcionen en redes reales de fibra óptica, la luz debe ser de un color específico, conocido como la banda C de telecomunicaciones, que viaja a través de cables de vidrio con una pérdida mínima. El desafío radica en crear un sistema que no solo produzca estos fotones de alta calidad, sino que también permita a los científicos encontrar y apuntar a puntos específicos antes de construir dispositivos complejos alrededor de ellos, todo ello sin degradar las delicadas propiedades de la luz misma.

Investigadores en Polonia han demostrado ahora un nuevo enfoque que aborda estos problemas mediante el crecimiento de una pila especializada de materiales sobre una oblea de cristal único. Crearon una plataforma utilizando puntos cuánticos de baja densidad hechos de arseniuro de indio y fosfuro de indio, colocados sobre una estructura de espejo llamada reflector de Bragg distribuido. Este espejo no es una simple lámina de metal, sino que está compuesto por capas alternas de diferentes materiales semiconductores, diseñadas para reflejar la luz de un rango específico de colores hacia arriba. El objetivo era crear un sistema que actúe como un extractor de luz de banda ancha, aumentando la cantidad de luz que escapa de los puntos cuánticos hacia el aire superior, facilitando su observación y estudio. Al diseñar cuidadosamente el espesor de las capas entre los puntos y el espejo, el equipo simuló que esta estructura podía capturar más del diez por ciento de la luz emitida dentro de un rango de colores de cuarenta nanómetros, una mejora significativa respecto a las configuraciones estándar donde la mayor parte de la luz se pierde o queda atrapada dentro del material.

El equipo hizo crecer toda esta estructura en un proceso continuo utilizando una técnica llamada epitaxia de fase vapor de organometálicos, la cual permite un control preciso de las capas atómicas. Primero calibraron las tasas de crecimiento para asegurar que las capas tuvieran el espesor correcto para formar un espejo efectivo para la banda C de telecomunicaciones. La pila de espejos resultante tenía aproximadamente 4.8 micrómetros de espesor y terminaba con una capa espaciadora que posicionaba los puntos cuánticos a la altura óptima para beneficiarse de la reflexión del espejo. Para verificar la calidad de su crecimiento, examinaron la superficie con microscopía de fuerza atómica y encontraron que los puntos cuánticos eran escasos, con una densidad de unos 130 millones de puntos por centímetro cuadrado. Estos puntos eran notablemente uniformes en tamaño y forma, asemejándose a pequeñas pirámides de cima plana con una base cuadrada, lo cual es un rasgo deseable para producir una luz constante. Los investigadores también confirmaron que la estructura del espejo funcionaba según lo previsto al medir su reflectividad, la cual alcanzó casi el 99 por ciento en la longitud de onda objetivo, creando una ventana amplia donde la luz pudiera escapar eficientemente.

Con la estructura lista, los investigadores se dedicaron a la tarea crítica de encontrar puntos cuánticos individuales para utilizarlos como fuentes. Debido a que el espejo aumentó la salida de luz, pudieron utilizar una cámara de campo amplio para tomar fotografías de la muestra mientras esta se enfriaba a temperaturas extremadamente bajas. Al filtrar la luz para observar solo los colores específicos emitidos por los puntos, pudieron aislar emisores individuales del ruido de fondo. El brillo mejorado permitió que pudieran localizar la ubicación exacta de un solo punto con una precisión estadística de aproximadamente 2.5 nanómetros. Este nivel de precisión es crucial porque significa que los científicos pueden mapear la posición de un punto específico con suficiente detalle para construir posteriormente un dispositivo personalizado, como una cavidad o lente diminuta, directamente encima de él. Esta capacidad transforma el proceso de una búsqueda aleatoria en un flujo de trabajo determinista, donde se pueden seleccionar e integrar en circuitos complejos emisores específicos de alta calidad.

Una vez identificado un solo punto, el equipo estudió la calidad de los fotones que este emitía. Se centraron en un tipo específico de emisión de un excitón cargado, un estado donde un electrón y un hueco están unidos con una carga adicional, el cual emitía luz a una longitud de onda de 1549.5 nanómetros. Utilizando un láser pulsado para excitar el punto, midieron la frecuencia con la que el punto emitía dos fotones a la vez, una señal de impureza. Encontraron que el punto emitía fotones individuales con una pureza de aproximadamente el 94.7 por ciento, lo que significa que rara vez cometía el error de enviar dos fotones juntos. Más importante aún, probaron si los fotones eran idénticos entre sí, una propiedad conocida como indistinguibilidad, la cual es esencial para la interferencia cuántica. Al enviar pares de fotones del punto hacia un interferómetro especial, observaron que los fotones interferían entre sí con una visibilidad del 51 por ciento dentro de una ventana de dos nanosegundos. Esta visibilidad cayó al 41 por ciento cuando se midió en una ventana más larga de cuatro nanosegundos, pero estos resultados se lograron sin utilizar ninguna estructura adicional para acelerar artificialmente la emisión, algo que a menudo se requiere para lograr tal coherencia.

La importancia de este trabajo reside en el hecho de que los investigadores lograron estos resultados utilizando una estructura plana simple y sin procesar. En muchos experimentos previos, los altos niveles de indistinguibilidad de los fotones solo se observaban tras embeber los puntos cuánticos en cavidades resonantes complejas que aumentaban su tasa de emisión. Aquí, el equipo demostró que la calidad intrínseca de la luz de los puntos cuánticos ya era lo suficientemente alta como para producir efectos de interferencia fuertes simplemente al colocarlos sobre un espejo de banda ancha. Esto sugiere que el sistema de materiales es robusto y que los fotones retienen sus propiedades cuánticas incluso antes de que se lleve a cabo cualquier fabricación de dispositivo final. La combinación de extracción de luz eficiente, localización precisa de emisores y alta coherencia de fotones en una única plataforma monolítica proporciona una base sólida para la construcción de futuros dispositivos cuánticos. Demuestra que, mediante la ingeniería cuidadosa del crecimiento de los materiales y del espejo subyacente, es posible crear un punto de partida para la tecnología cuántica que sea tanto escalable como capaz de entregar la luz de alta calidad requerida para aplicaciones avanzadas en comunicación segura y computación cuántica.