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

Para construir um futuro onde os computadores se comuniquem usando luz em vez de eletricidade, os cientistas precisam de uma forma fiável de gerar partículas únicas de luz, conhecidas como fotões, uma de cada vez. Estes minúsculos pacotes de energia são as unidades fundamentais para um novo tipo de tecnologia chamada processamento de informação quântica, que promete resolver problemas que são atualmente impossíveis para os computadores padrão. No entanto, criar um fluxo constante destes fotões únicos é difícil. As fontes mais promissoras são pequenos átomos artificiais feitos de materiais semicondutores, chamados pontos quânticos. Embora estes pontos possam emitir a luz necessária, são frequentemente espalhados aleatoriamente por uma superfície, e capturar a sua luz de forma eficiente é um grande obstáculo. Além disso, para que estes sistemas funcionem em redes reais de fibra ótica, a luz deve ser de uma cor específica, conhecida como banda C de telecomunicações, que viaja através de cabos de vidro com perda mínima. O desafio reside em criar um sistema que não só produza estes fotões de alta qualidade, mas que também permita aos cientistas encontrar e visar pontos quânticos específicos antes de construírem dispositivos complexos em torno deles, tudo isto sem degradar as propriedades delicadas da própria luz.

Investigadores na Polónia demonstraram agora uma nova abordagem que aborda estes problemas ao cultivar uma pilha especializada de materiais sobre uma única pastilha de cristal. Eles criaram uma plataforma utilizando pontos quânticos de baixa densidade feitos de arsenieto de índio e fosfido de índio, colocados sobre uma estrutura espelhada chamada refletor de Bragg distribuído. Este espelho não é uma simples folha de metal, mas é feito de camadas alternadas de diferentes materiais semicondutores, projetado para refletir a luz de uma gama específica de cores de volta para cima. O objetivo era criar um sistema que atuasse como um extrator de luz de banda larga, aumentando a quantidade de luz que escapa dos pontos quânticos para o ar acima, tornando-os mais fáceis de ver e estudar. Ao projetarem cuidadosamente a espessura das camadas entre o ponto quântico e o espelho, a equipa simulou que esta estrutura poderia capturar mais de dez por cento da luz emitida dentro de uma gama de cores de quarenta nanómetros, uma melhoria significativa em relação às configurações padrão onde a maior parte da luz é perdida ou retida dentro do material.

A equipa cultivou toda esta estrutura num processo contínuo utilizando uma técnica chamada epitaxia de fase vapor metal-orgânica, que permite um controlo preciso das camadas atómicas. Primeiro, calibraram as taxas de crescimento para garantir que as camadas tivessem a espessura correta para formar um espelho eficaz para a banda C de telecomunicações. A pilha de espelhos resultante tinha aproximadamente 4,8 micrómetros de espessura e era terminada com uma camada de espaçamento que posicionava os pontos quânticos à altura ideal para beneficiar da reflexão do espelho. Para verificar a qualidade do seu crescimento, examinaram a superfície com microscopia de força atómica e constataram que os pontos quânticos eram esparsos, com uma densidade de cerca de 130 milhões de pontos por centímetro quadrado. Estes pontos eram notavelmente uniformes em tamanho e forma, assemelhando-se a pequenas pirâmides de topo plano com uma base quadrada, o que é um traço desejável para produzir luz consistente. Os investigadores também confirmaram que a estrutura do espelho funcionava conforme pretendido ao medir a sua refletividade, que atingiu quase 99 por cento na largura de onda alvo, criando uma janela ampla onde a luz poderia escapar eficientemente.

Com a estrutura pronta, os investigadores passaram para a tarefa crítica de encontrar pontos quânticos individuais para utilizar como fontes. Como o espelho aumentou a saída de luz, eles conseguiram utilizar uma câmara de campo amplo para tirar fotografias da amostra enquanto esta era arrefecida a temperaturas extremamente baixas. Ao filtrar a luz para observar apenas as cores específicas emitidas pelos pontos, puderam isolar emissores únicos do ruído de fundo. O brilho aumentado permitiu-lhes localizar a localização exata de um único ponto quântico com uma precisão estatística de cerca de 2,5 nanómetros. Este nível de precisão é crucial porque significa que os cientistas podem mapear a posição de um ponto específico com detalhe suficiente para, posteriormente, construir um dispositivo personalizado, como uma pequena cavidade ou lente, diretamente sobre ele. Esta capacidade transforma o processo de uma busca aleatória num fluxo de trabalho determinístico, onde emissores específicos e de alta qualidade podem ser selecionados e integrados em circuitos complexos.

Assim que um ponto quântico foi identificado, a equipa estudou a qualidade dos fotões que este emitia. Focaram-se num tipo específico de emissão de um excitão carregado, um estado onde um eletrão e um buraco estão ligados com uma carga extra, que emitia luz a um comprimento de onda de 1549,5 nanómetros. Utilizando um laser pulsado para excitar o ponto, mediram a frequência com que o ponto emitia dois fotões ao mesmo tempo, um sinal de impureza. Descobriram que o ponto emitia fotões únicos com uma pureza de cerca de 94,7 por cento, o que significa que raramente cometia o erro de enviar dois fotões juntos. Mais importante ainda, testaram se os fotões eram idênticos entre si, uma propriedade conhecida como indistinguibilidade, que é essencial para a interferência quântica. Ao enviar pares de fotões do ponto para um interferómetro especial, observaram que os fotões interferiam entre si com uma visibilidade de 51 por cento dentro de uma janela de dois nanosegundos. Esta visibilidade caiu para 41 por cento quando medida numa janela mais longa de quatro nanosegundos, mas estes resultados foram alcançados sem utilizar quaisquer estruturas adicionais para acelerar artificialmente o processo de emissão, o que é frequentemente necessário para atingir tal coerência.

A significância deste trabalho reside no facto de os investigadores terem alcançado estes resultados utilizando uma estrutura planar simples e não processada. Em muitos experiências anteriores, níveis elevados de indistinguibilidade de fotões só eram observados após a incorporação dos pontos quânticos em cavidades ressonantes complexas que aumentavam a sua taxa de emissão. Aqui, a equipa demonstrou que a qualidade intrínseca da luz dos pontos quânticos já era suficientemente alta para produzir efeitos de interferência fortes simplesmente ao colocá-los sobre um espelho de banda larga. Isto sugere que o sistema de material é robusto e que os fotões retêm as suas propriedades quânticas mesmo antes de qualquer fabricação final de dispositivos. A combinação de extração de luz eficiente, localização precisa de emissores e alta coerência de fotões numa única plataforma monolítica fornece uma base sólida para construir futuros dispositivos quânticos. Demonstra que, ao projetar cuidadosamente o crescimento dos materiais e o espelho subjacente, é possível criar um ponto de partida para a tecnologia quântica que seja tanto escalável como capaz de fornecer a luz de alta qualidade necessária para aplicações avançadas em comunicações seguras e computação quântica.