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

Licht wordt meestal beschouwd als een stroom van kleine, onafhankelijke deeltjes. In de kwantumwereld kunnen deze lichtdeeltjes, fotonen genoemd, echter manieren vertonen die onze alledaagse intuïtie tarten. Wetenschappers proberen al lang apparaten te creëren die precies één foton tegelijk uitzenden, een capaciteit die essentieel is voor de volgende generatie ultra-veilige communicatie en krachtige computertechnologie. Traditioneel vereiste het creëren van deze enkelvoudige fotonbronnen het bestralen van een klein kristal met een heldere laser om emissie te triggeren. Hoewel dit effectief is, leunt deze methode op volumineuze externe apparatuur en optische triggers, wat integratie in de minuscule, elektrisch aangestuurde chips die de moderne elektronica aandrijven, bemoeilijkt. Onderzoekers hebben geprobeerd de laser te vervangen door een eenvoudige elektrische stroom, in de hoop een lichtbron te bouwen die aan- en uitgeschakeld kan worden met een draad, net als een standaard gloeilamp.

De uitdaging ligt in het feit dat elektrische stromen rommelig zijn. In tegen tegenstelling tot een precieze laserpuls, houdt een elektrisch signaal een chaotische stroom van elektronen in die moeilijk te controleren is. Wanneer deze elektronen een minuscuul halfgeleiderstructuur raken die bekend staat als een kwantumdot, kunnen ze licht creëren, maar de timing en het aantal uitgezonden fotonen kunnen wild fluctueren. Een nieuwe studie door onderzoekers van de University at Buffalo en hun internationale partners onderzoekt precies hoe deze elektrische fluctuaties het licht beïnvloeden. Ze richtten zich op een specifiek type kwantumdot waarin elektronen geïnjecteerd kunnen worden die allemaal dezelfde spin delen, een eigenschap die het elektron een specifieke magnetische oriëntatie geeft. Door deze spin te controleren, ontdekten het team dat ze niet alleen de kleurdraaiing van het licht konden dicteren, maar ook een verrassend, verborgen ritme in de wijze waarop de fotonen worden vrijgegeven, konden ontdekken.

Het apparaat dat centraal staat in dit onderzoek is een microscopisch zandwichachtig materiaal. In de kern ligt een laag kwantumdots, die nanoscale kristallen van indiumgalliumarsenide zijn, ingebed in een halfgeleiderstructuur. Daarboven bevindt zich een speciale magnetische laag gemaakt van kobalt, ijzer en boor, gescheiden van de dots door een dunne barrière van magnesiumoxide. Wanneer de onderzoekers een spanningspuls aan dit apparaat aanleggen, worden elektronen gedwongen om door de barrière te tunnelen en de kwantumdots binnen te dringen. Vanwege de magnetische laag arriveren deze elektronen met hun spins uitgelijnd in een specifieke richting. Terwijl de elektronen in de dots neerslaan en recombineren met gaten, zenden ze fotonen uit. De uitlijning van de elektronenspins zorgt ervoor dat het uitgezonden licht circulair gepolariseerd is, wat betekent dat de lichtgolven terwijl ze reizen spiralen, vergelijkbaar met een kurkentrekker.

Om te zien wat er binnenin deze minuscule machine gebeurde, mat het team niet alleen de totale hoeveelheid licht. In plaats daarvan bouwden ze een geavanceerd detectiesysteem dat in staat is om exact te tellen hoeveel fotonen er tegelijkertijd aankomen. Ze gebruikten een opstelling met vier gevoelige detectoren die geplaatst waren om fotonen op te vangen die mogelijk in paren of zelfs triplets arriveren. Door de exacte aankomsttijd van elk enkel foton met extreme precisie te labelen, konden ze het verhaal van de lichtemissie seconde per seconde reconstrueren. Ze voerden het experiment uit met de magnetische laag volledig gemagnetiseerd, wat een stroom spin-uitgelijnde elektronen creëerde, en herhaalden dit nadat ze de magnetisme hadden verstoord zodat de elektronen met willekeurige spins arriveerden.

De resultaten toonden een scherp verschil tussen de twee condities. Wanneer de elektronen spin-uitgelijnd waren, volgde de emissie van enkelvoudige fotonen de elektrische puls soepel, stijgend en dalend zoals verwacht. Echter, de emissie van twee fotonen tegelijkertijd vertelde een ander verhaal. De onderzoekers observeerden duidelijke fluctuaties in de timing van deze twee-foton-gebeurtenissen. Deze fluctuaties verschenen op specifieke momenten binnen de elektrische puls, waardoor een grillig, onregelmatig patroon ontstond dat niet overeenkwam met de vloeiende curve van de enkelvoudige fotonen. Cruciaal was dat wanneer de magnetische laag gedemagnetiseerd werd en de spin-uitlijning werd verwijderd, deze fluctuaties verdwenen. De twee-foton-emissie werd vloeiend en voorspelbaar, en weerspiegelde het gedrag van de enkelvoudige fotonen. Deze directe link bewees dat de chaotische fluctuaties niet werden veroorzaakt door de elektrische ruis zelf, maar een direct gevolg waren van de gedeelde spinoriëntatie van de elektronen.

Om te begrijpen waarom dit gebeurt, lieten de onderzoekers computer-simulaties uitvoeren. Ze modelleerden de kwantumdots niet als één enkele entiteit, maar als een groep minuscule emittenten die elkaar kunnen beïnvloeden. Hun model suggereerde dat wanneer de elektronen spin-uitgelijnd zijn, de kwantumdots op een gecoördineerde manier beginnen te werken, een fenomeen dat coöperatieve emissie wordt genoemd. In deze staat zenden de dots niet alleen onafhankelijk licht uit; ze zijn op de een of andere manier verbonden, wat ertoe leidt dat ze paren fotonen gelijktijdig vrijgeven in een burst die de willekeurige timing van standaard elektrische ruis tart. De simulatie, die een wiskundige beschrijving bevatte van dit coöperatieve gedrag, reproduceerde succesvol de grillige fluctuaties die in het experiment werden waargenomen. Zonder deze coöperatieve link in het model produceerde de simulatie vloeiende curves, net als het gedrag bij de gedemagnetiseerde experimenten.

De studie bevestigt dat spin-injectie meer doet dan alleen de polarisatie van licht controleren; het verandert fundamenteel de statistische aard van de emissie. De onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van spin-uitlijning een nieuwe dynamiek introduceert waarbij het systeem hogere-orde toestanden van licht kan emitteren, zoals paren fotonen, met een duidelijke en fluctuerende timing-handtekening. Dit gedrag werd waargenomen in een ensemble van kwantumdots, waarbij de gemiddelde spinpolarisatie ongeveer eenentwintig procent was en de dichtheid van de dots ongeveer elf per lichtgolflengte was. Het team gebruikte een pulsbreedte van twintig nanoseconden, met aanpasbare stijgtijden en valtijden, om deze dynamiek te onderzoeken. Ze verzamelden honderden miljoenen enkelvoudige foton-gebeurtenissen en tienduizenden twee-foton-gebeurtenissen om ervoor te zorgen dat hun gegevens statistisch robuust waren.

Dit werk suggereat dat de interne dynamica van elektrisch aangestuurde kwantlichtbronnen complexer zijn dan voorheen gedacht. De geobserveerde fluctuaties zijn niet louter ruis die geëlimineerd moet worden, maar zijn een handtekening van een diepere interactie tussen de emittenten, gedreven door de spin van de geïnjecteerde dragers. Hoewel het exacte microscopische mechanisme dat de dots in staat stelt om te communiceren en samen te klappen nog onderwerp is voor toekomstig onderzoek, wijst het bewijs op een coöperatief proces dat door spin wordt mogelijk gemaakt. De bevindingen openen een nieuw pad voor het ontwerpen van kwantumlichtbronnen die elektrisch kunnen worden aangestuurd, wat het potentieel biedt om niet alleen enkelvoudige fotonen, maar ook betrouwbare stromen van multi-foton toestanden te genereren. Door deze door spin gecontroleerde fluctuaties te begrijpen en te benutten, kunnen wetenschappers op een dag kwantumapparaten bouwen die kleiner, sneller en beter geïntegreerd zijn in de elektronische circuits van de toekomst.