Probing fluctuations in photon emission statistics of spin injected quantum dots with time dependent electronic excitation

La luce viene solitamente concepita come un flusso di minuscole particelle indipendenti. Nel mondo quantistico, tuttavia, queste particelle di luce, chiamate fotoni, possono comportarsi in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Gli scienziati cercano da tempo di creare dispositivi che emettano esattamente un fotone alla volta, una capacità essenziale per la prossima generazione di comunicazioni ultra-sicure e informatica potente. Tradizionalmente, la creazione di queste sorgenti di singoli fotoni ha richiesto l'impiego di un laser brillante su un piccolo cristallo per innescare l'emissione. Sebbene efficace, questo metodo si affida a ingombranti apparecchiature esterne e trigger ottici, rendendo difficile l'integrazione nei minuscoli chip a guida elettrica che alimentano l'elettronica moderna. I ricercatori hanno lavorato per sostituire il laser con una semplice corrente elettrica, sperando di costruire una sorgente luminosa che possa essere accesa e spenta con un filo, proprio come una normale lampadina.

La sfida risiede nel fatto che le correnti elettriche sono disordinate. A differenza di un preciso impulso laser, un segnale elettrico comporta un afflusso caotico di elettroni che può essere difficile da controllare. Quando questi elettroni colpiscono una minuscola struttura semiconduttrice nota come punto quantico, possono creare luce, ma la tempistica e il numero di fotoni emessi possono fluttuare selvaggiamente. Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Buffalo e dai loro collaboratori internazionali esplora esattamente come queste fluttuazioni elettriche influenzino la luce. Si sono concentrati su un tipo specifico di punto quantico che può essere iniettato con elettroni che condividono tutti lo stesso spin, una proprietà che conferisce all'elettrone un'orientazione magnetica specifica. Controllando questo spin, il team ha scoperto di poter non solo dettare la torsione del colore della luce, ma anche di scoprire un ritmo sorprendente e nascosto nel modo in cui i fotoni vengono rilasciati.

Il dispositivo al cuore di questa ricerca è un microscopico sandwich di materiali. Al suo centro giace uno strato di punti quantici, ovvero cristalli su scala nanometrica di arseniuro di indio e gallio, inseriti all'interno di una struttura semiconduttrice. Sopra di essi si trova uno speciale strato magnetico composto da cobalto, ferro e boro, separato dai punti da una sottile barriera di ossido di magnesio. Quando i ricercatori applicano un impulso di tensione a questo dispositivo, gli elettroni sono costretti a attraversare per effetto tunnel la barriera e ad entrare nei punti quantici. Grazie allo strato magnetico, questi elettroni arrivano con i loro spin allineati in una direzione specifica. Man mano che gli elettroni si stabilizzano nei punti e si ricombinano con le lacune, emettono fotoni. L'allineamento degli spin degli elettroni assicura che la luce emessa sia polarizzata circolarmente, il che significa che le onde luminose si avvitano mentre viaggiano, proprio come un tappo a vite.

Per vedere cosa stava accadendo all'interno di questa minuscola macchina, il team non si è limitato a misurare la quantità totale di luce. Invece, ha costruito un sofisticato sistema di rilevamento capace di contare esattamente quanti fotoni arrivavano contemporaneamente. Hanno utilizzato un allestimento con quattro sensori sensibili progettati per catturare fotoni che potrebbero arrivare in coppie o persino in triplette. Tracciando l'istante esatto di arrivo di ogni singolo fotone con estrema precisione, sono stati in grado di ricostruire la storia dell'emissione luminosa secondo per secondo. Hanno eseguito l'esperimento con lo strato magnetico completamente magnetizzato, creando un flusso di elettroni con spin allineato, e poi lo hanno ripetuto dopo aver rimescolato il magnetismo, facendo sì che gli elettroni arrivassero con spin casuali.

I risultati hanno rivelato una netta differenza tra le due condizioni. Quando gli elettroni erano con spin allineato, l'emissione di singoli fotoni seguiva l'impulso elettrico in modo fluido, salendo e scendendo come previsto. Tuttavia, l'emissione di due fotoni contemporaneamente raccontava una storia diversa. I ricercatori hanno osservato pronunciate fluttuazioni nella tempistica di questi eventi a due fotoni. Queste fluttuazioni apparivano in momenti specifici all'interno dell'impulso elettrico, creando un modello frastagliato e irregolare che non corrispondeva alla curva fluida dei singoli fotoni. Fondamentalmente, quando lo strato magnetico era smagnetizzato e l'allineamento degli spin era rimosso, queste fluttuazioni svanivano. L'emissione a due fotoni diventava fluida e prevedibile, rispecchiando il comportamento dei singoli fotoni. Questo legame diretto ha provato che le fluttuazioni caotiche non erano causate dal rumore elettrico in sé, ma erano una conseguenza diretta dell'orientazione dello spin condiviso degli elettroni.

Per capire perché ciò accada, i ricercatori si sono rivolti alle simulazioni al computer. Hanno modellato i punti quantici non come un'entità singola, ma come un gruppo di minuscoli emettitori che potevano influenzarsi a vicenda. Il loro modello suggeriva che, quando gli elettroni sono con spin allineato, i punti quantici iniziano ad agire in modo coordinato, un fenomeno noto come emissione cooperativa. In questo stato, i punti non stanno solo emettendo luce indipendentemente; sono in qualche modo collegati, il che li porta a rilasciare coppie di fotoni simultaneamente in un lampo che sfida la tempistica casuale dello standard rumore elettrico. La simulazione, che includeva una descrizione matematica di questo comportamento cooperativo, ha riprodotto con successo le fluttuazioni frastagliate osservate nell'esperimento. Senza questo legame cooperativo nel modello, la simulazione produceva curve fluide, proprio come l'esperimento con il materiale demagnetizzato.

Lo studio conferma che l'iniezione di spin fa molto di più del semplice controllo della polarizzazione della luce; essa altera fondamentalmente la natura statistica dell'emissione. I ricercatori hanno scoperto che la presenza di allineamento dello spin introduce una nuova dinamica in cui il sistema può emettere stati di luce di ordine superiore, come coppie di fotoni, con una firma temporale distinta e fluttuante. Questo comportamento è stato osservato in un insieme di punti quantici, dove la polarizzazione media dello spin era di circa il ventuno per cento e la densità dei punti era di circa undici per lunghezza d'onda luminosa. Il team ha utilizzato una larghezza d'impulso di venti nanosecondi, con tempi di salita e discesa regolabili, per sondare queste dinamiche. Hanno raccolto centinaia di milioni di eventi a singolo fotone e decine di migliaia di eventi a due fotoni per garantire che i loro dati fossero statisticamente robusti.

Questo lavoro suggerisce che la dinamica interna delle sorgenti di luce quantistica a guida elettrica è più complessa di quanto precedentemente pensato. Le fluttuazioni osservate non sono mero rumore da eliminare, ma sono la firma di un'interazione più profonda tra gli emettitori, guidata dallo spin dei portatori iniettati. Sebbene il meccanismo microscopico esatto che permette ai punti di comunicare e collassare insieme rimanga oggetto di indagini future, le prove puntano verso un processo cooperativo reso possibile dallo spin. Le scoperte aprono una nuova strada per la progettazione di sorgenti di luce quantistica che possano essere controllate elettricamente, offrendo il potenziale per generare non solo singoli fotoni, ma anche flussi affidabili di stati multi-fotonici. Comprendendo e sfruttando queste fluttuazioni controllate dallo spin, gli scienziati potranno un giorno costruire dispositivi quantistici più piccoli, più veloci e più integrati nei circuiti elettronici del futuro.