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

コンピュータが電気の代わりに光を用いて通信する未来を築くために、科学者たちは、光子として知られる単一の光の粒子を一つずつ生成する信頼できる方法を必要としています。これらの微小なエネルギーの塊は、量子情報処理と呼ばれる新しい技術の基本単位であり、この技術は現在の標準的なコンピュータでは不可能な問題を解決することを約束しています。しかし、これら単一光子の安定した流れを作り出すことは困難です。最も有望な光源は、半導体材料から作られた「人工原子」と呼ばれる量子ドットです。これらのドットは必要な光を放出できますが、表面にランダムに散らばっていることが多く、その光を効率的に捉えることが大きな障壁となっています。さらに、これらのシステムが実世界の光ファイバーネットワークで機能するためには、ガラスケーブル内を損失を最小限に抑えて伝わる「テレコムCバンド」と呼ばれる特定の色の光である必要があります。課題は、高品質な光子を生み出すだけでなく、複雑なデバイスを構築する前に、光の繊細な特性を損なうことなく、特定のドットを見つけ出し、標的にできるシステムを作り出すことにあります。

ポーランドの研究者たちは、単一の結晶ウェハー上に特殊な材料のスタックを成長させることで、これらの問題に対処する新しいアプローチを実証しました。彼らは、インジウム砒素とインジウムリンからなる低密度の量子ドットを、分布ブラッグ反射鏡（DBR）と呼ばれる鏡のような構造の上に配置したプラットフォームを作成しました。この鏡は単純な金属のシートではなく、特定の範囲の色の光を上方へ反射するように設計された、異なる半導体材料の交互の層で構成されています。目的は、量子ドットから放出される光を空中に逃がす量を増幅し、観察や研究をしやすくするための広帯域光抽出器として機能するシステムを作ることでした。ドットと鏡の間の層の厚さを注意深く設計することで、チームは、この構造が40ナノメートルの色の範囲内で放出される光の10パーセント以上を捕捉できることをシミュレーションしました。これは、ほとんどの光が材料の中に閉じ込められたり失われたりしてしまう標準的なセットアップと比較して、大幅な改善です。

チームはこの構造全体を、原子層を精密に制御できる有機金属気相成長法（MOVPE）という手法を用いて、一つの連続したプロセスで成長させました。彼らはまず、層が効果的な鏡を形成するために正しい厚さになるよう、成長速度を較正しました。結果として得られた鏡のスタックは約4.8マイクロメートルの厚さで、量子ドットが鏡の反射の恩恵を受ける最適な高さに位置するようにスペーサー層で終端されました。成長の品質を確認するために、原子間力顕微鏡で表面を調べたところ、量子ドットはまばらであり、密度は約1平方センチメートルあたり1億3000万個でした。これらのドットはサイズと形状が非常に均一で、正方形の底面を持つ小さな平らなピラミッドのような形をしており、これは一貫した光を生成するために望ましい特性です。研究者たちはまた、鏡の反射率を測定することで、鏡の構造が意図通りに機能していることを確認しました。反射率は目標波長において99パーセント近くに達し、光が効率的に脱出できる広い窓を作り出していました。

構造の準備が整うと、研究者たちは、光源として使用するための個々の量子ドットを見つけるという極めて重要な作業に取り組みました。鏡が光出力を増幅させたため、彼らは試料を極低温まで冷却した状態で、広視野カメラを使用して画像撮影を行うことができました。ドットが放出する特定の色の光のみをフィルタリングすることで、背景ノイズから単一のエミッターを分離することができました。この輝度の向上により、統計的な精度約2.5ナノメートルで、単一のドットの正確な位置を特定することができました。このレベルの精度は、科学者が特定のドットの位置を、後にその上に微小なキャビティやレンズなどのカスタムデバイスを直接構築できるほど詳細にマッピングできることを意味します。この能力により、プロセスはランダムな探索から、特定の高品質なエミッターを選択して複雑な回路に統合できる決定論的なワークフローへと変貌します。

単一のドットが特定されると、チームはそのドットが放出する光の質を研究しました。彼らは、電子と正孔が余剰な電荷とともに結合した状態である「荷電励起子」からの特定の放出に焦点を当てました。これは1549.5ナノメートルの波長で光を放出します。パルスレーザーを用いてドットを励起し、ドットが同時に2つの光子を放出する頻度（不純性の兆候）を測定しました。その結果、ドットは光子の純度が約94.7パーセントであり、2つの光子を同時に送ってしまうミスをめったに起こさないことが分かりました。より重要なことに、彼らは、光子が互いに同一であるかどうか、すなわち「不可分性」をテストしました。これは量子干渉に不可欠な特性です。ドットからの光のペアを特殊な干渉計に送ることで、彼らは2ナノ秒のウィンドウ内で51パーセントの可視性をもって光子が干渉することを観察しました。この可視性は、より長い4ナノ秒のウィンドウで測定すると41パーセントに低下しましたが、これらの結果は、放出速度を人工的に高めるために追加の構造を使用することなく達成されました。

この研究の意義は、研究者が未加工の平面構造を用いてこれらの結果を達成したという点にあります。多くの先行研究では、放出率を高める共振器内に量子ドットを埋め込んだ後にのみ、高い光の不可分性が観察されてきました。ここでは、チームは、量子ドットの固有の光の質が、単に広帯域ミラーの上に配置するだけで強い干渉効果を生み出すのに十分に高いことを示しました。これは、材料系自体が堅牢であり、最終的なデバイス作製の前段階であっても、光子が量子特性を保持していることを示唆しています。効率的な光抽出、精密なエミッターの局在化、そして高い光コヒーレンスの組み合わせは、単一のモノリシックなプラットフォームにおいて、将来の量子デバイスを構築するための強固な基礎を提供します。材料の成長と基礎となる鏡を注意深く設計することで、量子技術の出発点を、スケーラブルかつ高度なアプリケーションに必要な高品質の光を提供できる形で創出できることを、この研究は証明しています。