Bright and pure single-photon source in a silicon chip by nanoscale positioning of a color center in a microcavity

Resumo Técnico: Fonte de Fótons Únicos Brilhante e Pura em um Chip de Silício por Posicionamento em Nanoescala de um Centro de Cor em uma Microcavidade

Definição do Problema
A fotônica quântica de silício visa processar estados fotônicos quânticos em chip, uma capacidade essencial para tecnologias quânticas escaláveis. No entanto, o campo é atualmente limitado pela dificuldade de gerar deterministicamente estados de fótons emaranhados arbitrariamente grandes em um chip de silício. Embora existam fontes integradas baseadas em mistura de quatro ondas espontânea, elas sofrem de um compromisso inerente entre eficiência e emissão de múltiplos fótons. Abordagens alternativas usando fontes externas acopladas por fibra ou integração híbrida de emissores quânticos são dificultadas por perdas de acoplamento. Para superar essas limitações, há uma necessidade crítica de fontes sob demanda de fótons únicos indistinguíveis integradas diretamente em chips de fotônica de silício. Centros de cor no infravermelho próximo em silício oferecem uma solução promissora para contornar as perdas de acoplamento, mas sua implementação prática requer o embutimento preciso dentro de cavidades fotônicas para aproveitar o efeito Purcell para emissão determinística. As fontes de fóton único (SPS) existentes baseadas em dopantes T, G, G* e erbio enfrentam obstáculos significativos, incluindo taxas de emissão lentas, baixa eficiência quântica ou processos de fabricação não seletivos que introduzem defeitos parasitários.

Metodologia
Os autores apresentam uma estratégia para fabricar uma fonte de fóton único posicionando deterministicamente um único "centro W" (um defeito pontual específico no silício) dentro de uma cavidade de grade de Bragg circular (CBG) de silício sobre isolante (SOI). A metodologia envolve um processo de três etapas:

1. Posicionamento em Nanoescala via Implantação Iônica: Em vez de localizar emissores pré-existentes e então fabricar cavidades ao redor deles (um método limitado pela resolução óptica), os autores criam os emissores em locais predefinidos. Uma máscara de polimetilmetacrilato (PMMA) de 480 nm de espessura, padronizada com nanofuros de 150 nm de diâmetro, é depositada em uma pastilha de SOI. Íons Si+ são implantados através desses nanofuros a 70 keV. O recozimento térmico subsequente a 200 °C por 30 minutos ativa os centros W, que consistem em três átomos de silício intersticiais.
2. Fabricação da Cavidade: Cavidades de grade de Bragg circular, ressonantes com a linha de zero fônon (ZPL) do centro W em 1217 nm, são fabricadas via litografia por feixe de elétrons e corrosão iônica reativa. Crucialmente, essas cavidades são centradas nas coordenadas nominais dos nanofuros, garantindo que o emissor seja colocado dentro da região de campo alto da cavidade sem mapeamento óptico prévio.
3. Caracterização: As propriedades ópticas são analisadas usando espectroscopia de fotoluminescência (PL) e medições de correlação de fótons sob excitação de onda contínua (CW) e pulsada a 10 K. O setup utiliza um objetivo de alta abertura numérica (0,65) e detectores de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPD).

Principais Contribuições e Resultados
O estudo demonstra uma fonte de fóton único brilhante, pura e linearmente polarizada com os seguintes resultados específicos:

• Alta Taxa de Contagem de Fótons: Sob excitação CW acima do gap, a fonte atinge uma taxa de saturação de contagem de 1,29 ± 0,01 Mcps (milhões de contagens por segundo). Isso é aproximadamente 400 vezes maior que a taxa média para centros W individuais em SOI planar, atribuído ao aumento de Purcell e alta eficiência de coleta.
• Alta Pureza e Antibunching: A fonte exibe um antibunching de fótons limpo. Em potências de saturação ($P = 9,2 P_{sat}$), a função de correlação de segunda ordem é medida em $g^{(2)}(0) = 0,06 \pm 0,02$. Sob menor potência ($P = 2,8 P_{sat}$), este valor melhora para $g^{(2)}(0) = 0,03 \pm 0,01$. Esses valores indicam uma densidade muito baixa de defeitos fluorescentes parasitários e uma emissão de fóton único de alta pureza.
• Aumento da Linha de Zero-Fônon (ZPL): O espectro de PL revela que a ZPL representa 98,6 ± 1,4% da intensidade total de emissão, uma melhoria significativa em relação aos ~39% observados em SOI não padronizado. Isso confirma que a cavidade aumenta seletivamente a emissão de zero-fônon.
• Aumento de Purcell: O tempo de vida do estado excitado do centro W é reduzido de um valor de bulk de ~34 ns para 7 ± 1 ns na cavidade. Essa aceleração corresponde a um fator de Purcell $F > 7,2$, confirmando o acoplamento efetivo do emissor ao modo da cavidade.
• Emissão Disparada: Sob excitação de laser pulsado fraco (taxa de repetição de 5 MHz), a fonte demonstra emissão de fóton único disparada com 93 ± 2% de pureza ($g^{(2)}(0) \approx 0,07$).
• Precisão de Posicionamento: Simulações numéricas e dados experimentais confirmam que o método de posicionamento em nanoescala coloca o centro W dentro de 100 nm do centro da cavidade, onde o aumento de Purcell é máximo.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que estes resultados representam um "passo importante" em direção a fontes sob demanda de fótons únicos indistinguíveis no infravermelho próximo dentro de chips de fotônica de silício. O trabalho valida o centro W como um candidato promissor para SPS determinísticos devido à sua alta eficiência quântica e emissão relativamente rápida. Além disso, confirma que as cavidades CBG são atraentes para construir SPS em chips de SOI quando combinadas com uma estratégia de posicionamento em nanoescala que contorna as limitações de resolução óptica na localização do emissor.

O artigo observa que, embora a fonte atual seja brilhante e pura, sua eficiência para gerar pulsos de fóton único é atualmente limitada pelo blinking (o emissor é opticamente ativo apenas ~17% do tempo) e pela recombinação não radiativa. Os autores sugerem que melhorias futuras poderiam ser alcançadas substituindo a atual cavidade CBG por uma cavidade de cristal fotônico acoplada a guia de onda (ex: um nanobeam) para aumentar o fator de Purcell e a eficiência de coleta, e implementando esquemas de bombeio ressonante para mitigar os efeitos de repompeamento observados em altas potências pulsadas. A estratégia é apresentada como compatível com a integração escalável de múltiplas fontes de fóton único conectadas ao mesmo circuito fotônico.