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

Om een toekomst te bouwen waarin computers communiceren met behulp van licht in plaats van elektriciteit, hebben wetenschappers een betrouwbare manier nodig om enkelvoudige deeltjes licht, bekend als fotonen, één voor één te genereren. Deze minuscule pakketjes energie zijn de fundamentele eenheden voor een nieuw soort technologie genaamd kwantuminformatieverwerking, die belooft problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor standaardcomputers. Het creëren van een constante stroom van deze enkelvoudige fotonen is echter moeilijk. De meest veelbelovende bronnen zijn minuscule, kunstmatige atomen gemaakt van halfgeleidermaterialen, genaamd kwantumstippen (quantum dots). Hoewel deze stippen het vereiste licht kunnen uitzenden, zijn ze vaak willekeurig verspreid over een oppervlak, en het efficiënt opvangen van hun licht is een grote hindernis. Bovendien, voor deze systemen om te werken in echte glasvezelnetwerken, moet het licht een specifieke kleur hebben, bekend als de telecom C-band, die met minimale verliezen door glazen kabels reist. De uitdaging ligt in het creëren van een systeem dat niet alleen deze hoogwaardige fotonen produceert, maar het wetenschappers ook mogelijk maakt om specifieke stippen te vinden en te targeten voordat ze complexe apparaten om hen heen bouwen, en dat alles zonder de delicate eigenschappen van het licht zelf te verslechteren.

Onderzoekers in Polen hebben nu een nieuwe aanpak gedemonstreerd die deze problemen aanpakt door een gespecialiseerde stapel materialen op een enkel kristalwafer te laten groeien. Ze creëerden een platform met een lage dichtheid aan kwantumstippen gemaakt van indiumarsenide en indiumfosfide, geplaatst bovenop een spiegelachtige structuur genaamd een gedistribueerde Bragg-reflector. Deze spiegel is geen simpel metalen veld, maar bestaat uit afwisselende lagen van verschillende halfgeleidermaterialen, ontworpen om licht van een specifiek bereik aan kleuren terug omhoog te reflecteren. Het doel was om een systeem te creëren dat fungeert als een breedbandige lichtextractor, waardoor de hoeveelheid licht die uit de kwantumstippen in de lucht erboven ontsnapt wordt vergroot, zodat ze gemakkelijker te zien en te bestuderen zijn. Door zorgvuldig de dikte van de lagen tussen de stippen en de spiegel te ontwerpen, simuleerde het team dat deze structuur meer dan tien procent van het uitgezonden licht kon opvangen binnen een kleurgebied van veertig nanometer, een significante verbetering ten opzichte van standaardopstellingen waarbij de meeste licht verloren gaat of binnen het materiaal gevangen blijft.

Het team liet deze volledige structuur groeien in één continu proces met behulp van een techniek genaamd metal-organische dampfase-epitaxie, wat nauwkeurige controle over de atomaire lagen mogelijk maakt. Ze kalibreerden eerst de groeisnelheden om ervoor te zorgen dat de lagen de juiste dikte hadden om een effectieve spiegel te vormen voor de telecom C-band. De resulterende spiegelstapel was ongeveer 4,8 micrometer dik en werd afgesloten met een spacer-laag die de kwantumstippen op de optimale hoogte plaatste om te profiteren van de reflectie van de spiegel. Om de kwaliteit van hun groei te verifiëren, onderzochten ze het oppervlak met atoomkrachtmicroscopie en vonden ze dat de kwantumstippen schaars waren, met een dichtheid van ongeveer 130 miljoen stippen per vierkante centimeter. Deze stippen waren opmerkelijk uniform in grootte en vorm, lijkend op kleine, platte piramides met een vierkante basis, wat een gewenste eigenschap is voor het produceren van consistent licht. De onderzoekers bevestigden ook dat de spiegelstructuur werkte zoals bedoeld door de reflectiviteit te meten, die bijna 99 procent bereikte bij de doelgolflengte, waardoor een brede window ontstond waar licht efficiënt uit kon ontsnappen.

Met de structuur gereed, richtten de onderzoekers zich op de cruciale taak om individuele kwantumstippen te vinden om als bron te dienen. Omdat de spiegel de lichtopbrengst verhoogde, konden ze een groothoekcamera gebruiken om foto's van het monster te maken terwijl dit tot extreem lage temperaturen werd afgekoeld. Door het licht te filteren om alleen naar de specifieke kleuren te kijken die door de stippen worden uitgezonden, konden ze enkelvoudige emittenten isoleren van de achtergrondruis. De verbeterde helderheid stelde hen in staat de exacte locatie van een enkele stip te bepalen met een statistische precisie van ongeveer 2,5 nanometer. Dit niveau van nauwkeurigheid is cruciaal omdat het betekent dat wetenschappers de positie van een specifieke stip met voldoende detail in kaart kunnen brengen om later direct een op maat gemaakt apparaat, zoals een minuscule holte of lens, bovenop te bouwen. Deze capaciteit transformeert het proces van een willekeurige zoektocht naar een deterministische workflow, waarbij specifieke, hoogwaardige emittenten kunnen worden geselecteerd en geïntegreerd in complexe circuits.

Zodra een enkele stip was geïdentificeerd, bestudeerde het team de kwaliteit van de fotonen die deze uitzendt. Ze concentreerden zich op een specifiek type emissie van een geladen exciton, een toestand waarin een elektron en een gat aan elkaar gebonden zijn met een extra lading, wat licht uitzendt bij een golflengte van 1549,5 nanometer. Door een gepulseerde laser te gebruiken om de stip te exciteren, maten ze hoe vaak de stip twee fotonen tegelijk uitzendt, een teken van onzuiverheid. Ze vonden dat de stip enkelvoudige fotonen uitzendt met een zuiverheid van ongeveer 94,7 procent, wat betekent dat het zelden de fout maakt om twee fotonen samen te sturen. Belangrijker nog, ze testten of de fotonen identiek aan elkaar waren, een eigenschap die bekend staat als ononderscheidbaarheid, wat essentieel is voor kwantuminterferentie. Door paren fotonen van de stip in een speciale interferometer te sturen, observeerden ze dat de fotonen met elkaar interfereerden met een zichtbaarheid van 51 procent binnen een venster van twee nanoseconden. Deze zichtbaarheid daalde naar 41 procent wanneer gemeten over een langer venster van vier nanoseconden, maar deze resultaten werden behaald zonder gebruik te maken van enige aanvullende structuren om de emissie kunstmatig te versnellen, wat vaak nodig is om een dergelijke hoge coherentie te bereiken.

De betekenis van dit werk ligt in het feit dat de onderzoekers deze resultaten behaalden met een eenvoudige, onbewerkte planaire structuur. In veel eerdere experimenten werden hoge niveaus van foton-ononderscheidbaarheid alleen waargenomen nadat de kwantumstippen waren ingebed in complexe resonante holtes die hun emissiesnelheid verhoogden. Hier toonde het team aan dat de intrinsieke kwaliteit van het licht van de kwantumstippen al hoog genoeg was om sterke interferentie-effecten te produceren, simpelweg door ze op een breedbandige spiegel te plaatsen. Dit suggereert dat het materiaalsysteem zelf robuust is en dat de fotonen hun kwantumeigenschappen behouden nog voordat er enige definitieve apparaatfabricage plaatsvindt. De combinatie van efficiënte lichtextractie, precieze lokalisatie van de emittent en hoge fotoncoherentie in één enkel monolithisch platform biedt een solide fundament voor het bouwen van toekomstige kwantumapparaten. Het demonstreert dat door het groeiproces van de materialen en de onderliggende spiegel zorgvuldig te ontwerpen, het mogelijk is om een startpunt voor kwantumtechnologie te creëren dat zowel schaalbaar is als in staat is om het hoogwaardige licht te leveren dat vereist is voor geavanceerde toepassingen in veilige communicatie en kwantumcomputing.