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

एक ऐसा भविष्य बनाने के लिए जहाँ कंप्यूटर बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करके संचार करें, वैज्ञानिकों को एक बार में एकल कणों के रूप में प्रकाश, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, उत्पन्न करने के लिए एक विश्वसनीय तरीके की आवश्यकता है। ऊर्जा के ये सूक्ष्म पैकेट क्वांटम सूचना प्रसंस्करण नामक एक नई तरह की तकनीक के लिए मौलिक इकाइयाँ हैं, जो उन समस्याओं को हल करने का वादा करती है जो वर्तमान मानक कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। हालाँकि, इन एकल फोटॉनों का एक निरंतर प्रवाह बनाना कठिन है। सबसे आशाजनक स्रोत अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) सामग्रियों से बने कृत्रिम परमाणु हैं, जिन्हें क्वांटम डॉट्स कहा जाता है। हालाँकि ये डॉट्स आवश्यक प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं, लेकिन वे अक्सर एक सतह पर बेतरतीब ढंग से बिखरे होते हैं, और उनके प्रकाश को कुशलतापूर्वक पकड़ना एक बड़ी बाधा है। इसके अलावा, वास्तविक दुनिया के फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क में काम करने के लिए, प्रकाश का एक विशिष्ट रंग होना चाहिए, जिसे टेलीकॉम सी-बैंड (telecom C-band) कहा जाता है, जो कांच के केबलों के माध्यम से न्यूनतम हानि के साथ यात्रा करता है। चुनौती एक ऐसी प्रणाली बनाने में निहित है जो न केवल इन उच्च-गुणवत्ता वाले फोटॉनों का उत्पादन करे, बल्कि वैज्ञानिकों को जटिल उपकरण बनाने से पहले विशिष्ट डॉट्स को खोजने और उन्हें लक्षित करने की अनुमति भी दे, और वह भी प्रकाश के नाजुक गुणों को खराब किए बिना।

पोलैंड के शोधकर्ताओं ने अब एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित किया है जो एक एकल क्रिस्टल वेफर पर विशेष सामग्री की एक परत उगाकर इन समस्याओं का समाधान करता है। उन्होंने एक डिस्ट्रीब्यूटेड ब्रैग रिफ्लेक्टर (distributed Bragg reflector) नामक दर्पण जैसी संरचना के ऊपर इंडियम आर्सेनाइड और इंडियम फॉस्फाइड से बने कम-घनत्व वाले क्वांटम डॉट्स वाला एक प्लेटफॉर्म बनाया। यह दर्पण एक साधारण धातु की शीट नहीं है, बल्कि अलग-अलग अर्धचालक सामग्रियों की वैकल्पिक परतों से बना है, जिसे प्रकाश के रंगों की एक विशिष्ट सीमा को वापस ऊपर की ओर परावर्तित करने के लिए इंजीनियर किया गया है। लक्ष्य एक ऐसी प्रणाली बनाना था जो एक ब्रॉडबैंड लाइट एक्सट्रैक्टर (broadband light extractor) के रूप में कार्य करे, जिससे क्वांटम डॉट्स से हवा में निकलने वाले प्रकाश की मात्रा बढ़ सके, जिससे उन्हें देखना और अध्ययन करना आसान हो जाए। डॉट्स और दर्पण के बीच की परतों की मोटाई को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, टीम ने सिम्युलेट किया कि यह संरचना चालीस नैनोमीटर रंग की सीमा के भीतर उत्सर्जित प्रकाश के दस प्रतिशत से अधिक को कैप्चर कर सकती है, जो मानक सेटअपों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जहाँ अधिकांश प्रकाश खो जाता है या सामग्री के भीतर ही फंस जाता है।

टीम ने इस पूरी संरचना को मेटल-ऑर्गेनिक वेपर-फेज एपिटैक्सी (metal-organic vapor-phase epitaxy) नामक एक निरंतर प्रक्रिया का उपयोग करके उगाया, जो परमाणु परतों पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है। उन्होंने सबसे पहले विकास दरों (growth rates) को कैलिब्रेट किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि परतें टेलीकॉम सी-बैंड के लिए एक प्रभावी दर्पण बनाने हेतु सही मोटाई की हों। परिणामी मिरर स्टैक लगभग 4.8 माइक्रोमीटर मोटा था और इसे एक स्पैसर लेयर (spacer layer) के साथ समाप्त किया गया था जिसने क्वांटम डॉट्स को दर्पण के परावर्तन का लाभ उठाने के लिए इष्टतम ऊंचाई पर स्थित किया। अपने विकास की गुणवत्ता को सत्यापित करने के लिए, उन्होंने परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (atomic force microscopy) से सतह का परीक्षण किया और पाया कि क्वांटम डॉट्स विरल थे, जिनका घनत्व लगभग 130 मिलियन डॉट्स प्रति वर्ग सेंटीमीटर था। ये डॉट्स आकार और आकृति में उल्लेखनीय रूप से समान थे, जो एक वर्गाकार आधार वाले छोटे, चपटे शीर्ष वाले पिरामिडों की तरह दिखते थे, जो निरंतर प्रकाश उत्पन्न करने के लिए एक वांछनीय गुण है। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि दर्पण संरचना ने अपने उद्देश्य को पूरा किया, जिसकी परावर्तनशीलता लक्षित तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर लगभग 99 प्रतिशत तक पहुँच गई, जिससे एक विस्तृत खिड़की बन गई जहाँ से प्रकाश कुशलतापूर्वक निकल सके।

संरचना तैयार होने के बाद, शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत क्वांटम डॉट्स को खोजने के कार्य की ओर रुख किया। क्योंकि दर्पण ने प्रकाश के आउटपुट को बढ़ाया था, इसलिए वे एक वाइड-फील्ड कैमरा का उपयोग करके नमूने की तस्वीरें लेने में सक्षम हुए, जबकि इसे अत्यधिक कम तापमान पर ठंडा किया गया था। डॉट्स द्वारा उत्सर्जित विशिष्ट रंगों को देखने के लिए प्रकाश को फिल्टर करके, वे बैकग्राउंड शोर से एकल उत्सर्जकों (single emitters) को अलग कर सके। बढ़ी हुई चमक ने उन्हें लगभग 2.5 नैनोमीटर की सांख्यिकीय सटीकता के साथ एक एकल डॉट के सटीक स्थान को निर्धारित करने में सक्षम बनाया। सटीकता का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि वैज्ञानिक किसी विशिष्ट डॉट की स्थिति को इतनी बारीकी से मैप कर सकते हैं कि बाद में उसके ऊपर सीधे एक छोटा कैविटी या लेंस जैसा कस्टम डिवाइस बनाया जा सके। यह क्षमता प्रक्रिया को एक रैंडम खोज से एक नियत कार्यप्रवाह (deterministic workflow) में बदल देती है, जहाँ विशिष्ट, उच्च-गुणवत्ता वाले उत्सर्जकों को जटिल सर्किटों में एकीकृत किया जा सकता है।

एक बार जब एक एकल डॉट की पहचान हो गई, तो टीम ने इसके द्वारा उत्सर्जित फोटॉनों की गुणवत्ता का अध्ययन किया। उन्होंने एक चार्ज्ड एक्सिटोन (charged exciton) के एक विशिष्ट प्रकार के उत्सर्जन पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ एक इलेक्ट्रॉन और एक होल एक अतिरिक्त चार्ज के साथ बंधे होते हैं, जो 1549.5 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करता था। डॉट को उत्तेजित करने के लिए एक पल्स्ड लेजर का उपयोग करते हुए, उन्होंने यह मापा कि डॉट कितनी बार एक साथ दो फोटॉन उत्सर्जित करता है, जो अशुद्धि का संकेत है। उन्होंने पाया कि डॉट ने लगभग 94.7 प्रतिशत की शुद्धता के साथ एकल फोटॉन उत्सर्जित किए, जिसका अर्थ है कि इसने शायद ही कभी दो फोटॉन एक साथ भेजने की गलती की। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह थी कि उन्होंने परीक्षण किया कि क्या फोटॉन एक दूसरे के समान (indistinguishable) थे, जो क्वांटम इंटरफेरेंस के लिए आवश्यक है। डॉट्स से फोटॉन के जोड़े को एक विशेष इंटरफेरोमीटर में भेजकर, उन्होंने देखा कि फोटॉन दो नैनोसेकंड की विंडो के भीतर 51 प्रतिशत की दृश्यता (visibility) के साथ एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं। चार नैनोसेकंड की लंबी विंडो में मापने पर यह दृश्यता घटकर 41 प्रतिशत रह गई, लेकिन ये परिणाम बिना किसी अतिरिक्त संरचना के प्राप्त किए गए थे जिसका उपयोग उत्सर्जन प्रक्रिया को कृत्रिम रूप से तेज करने के लिए किया जाता है, जो अक्सर उच्च सुसंगतता (coherence) प्राप्त करने के लिए आवश्यक होता है।

इस कार्य का महत्व इस तथ्य में निहित है कि शोधकर्ताओं ने इन परिणामों को एक सरल, अनप्रोसेस्ड प्लेनर स्ट्रक्चर का उपयोग करके प्राप्त किया। कई पिछले प्रयोगों में, उच्च स्तर की फोटॉन इंडिस्टिंग्विशेबिलिटी (indistinguishability) केवल तभी देखी गई थी जब क्वांटम डॉट्स को जटिल रेजोनेंट कैविटीज़ में एम्बेड किया गया था जो उनके उत्सर्जन दर को बढ़ाते हैं। यहाँ, टीम ने दिखाया कि क्वांटम डॉट्स से प्रकाश की अंतर्निहित गुणवत्ता पहले से ही इतनी उच्च थी कि वह केवल एक ब्रॉडबैंड मिरर रखने से ही मजबूत हस्तक्षेप प्रभाव उत्पन्न कर सके। यह सुझाव देता है कि सामग्री प्रणाली स्वयं मजबूत है और फोटॉन अपनी क्वांटम विशेषताओं को बनाए रखते हैं, भले ही कोई भी अंतिम डिवाइस निर्माण से पहले हो। कुशल प्रकाश निष्कर्षण, सटीक उत्सर्जक स्थानीयकरण और उच्च फोटॉन सुसंगतता का संयोजन एक एकल मोनोलिथिक प्लेटफॉर्म में भविष्य के क्वांटम उपकरणों के निर्माण के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि सामग्रियों और अंतर्निहित दर्पण के विकास को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, क्वांटम तकनीक के लिए एक ऐसी शुरुआत बनाना संभव है जो स्केलेबल है और सुरक्षित संचार एवं क्वांटम कंप्यूटिंग जैसे उन्नत अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक उच्च-गुणवत्ता वाले प्रकाश को वितरित करने में सक्षम है।