Forskare har utvecklat en ny typ av ljusförbättrande optisk hålighet som bara är 200 nanometer lång och 100 nanometer över. Deras nya nanoskala system representerar ett steg mot ljusare enkelfotonkällor, vilket kan hjälpa till att driva kvantbaserad kryptering och ett verkligt säkert och framtidssäkrat nätverk.

Kvantkrypteringsteknik, som anses vara centrala för framtida datakrypteringsmetoder, använda enskilda fotoner som ett extremt säkert sätt att koda data. En begränsning av dessa tekniker har varit förmågan att avge foton med höga hastigheter. "En av de viktigaste siffrorna för meriter för enfotonkällor är ljusstyrka-eller samlade fotoner per sekund-eftersom det är ljusare, ju mer data du kan överföra säkert med kvantkryptering, "sa Yousif Kelaita, Nanoskala och Quantum Photonics Lab, Stanford University, Kalifornien.

I journalen Expressmaterial Express , Kelaita och hans kollegor visar att deras nya nanokavitet signifikant ökade ljusstyrkan för kvantpunkter-nanometerskaliga halvledarpartiklar som kan avge enstaka fotoner.

Forskarna skapade den nya nanokaviteten genom att använda högreflekterande silver för att belägga sidorna av en nanoskala halvledarpelare som sitter på ett underlag. Silvret får ljuset att studsa runt inuti nanopillar, förvandla den till en mycket liten optisk hålighet. Forskarna säger att samma designkoncept skulle kunna användas för att bygga nanokaviteter av andra material som är skräddarsydda för olika enkelfotonsändare.

Fånga ljus i ett litet utrymme

Vid nanometervåg, ljus interagerar med material på unika sätt. Ett exempel är Purcell -effekten, vilket förbättrar utsläppseffektiviteten för en kvantpunkt eller annan ljusemitter som är begränsad i ett litet hålrum. System som visar Purcell -förbättring kommer att avge fler fotoner under en viss tid, vilket skulle möjliggöra kvantkrypteringssystem som fungerar snabbare än vad som är möjligt nu.

Att uppnå Purcell -förbättring gynnas av extremt små hålrum eftersom energi överförs snabbare mellan ljusstrålaren och håligheten. Det är också önskvärt att ha en tillräckligt hög kvalitetsfaktor, vilket innebär att hålighetens reflektion gör att ljuset kan studsa runt länge.

"Vi demonstrerade en ny typ av hålighet med en volym som är flera storleksordningar lägre än den nuvarande toppmodern i solid state-system, "sa Kelaita." Systemet ger stark Purcell -förbättring och hög ljusinsamlingseffektivitet samtidigt, vilket leder till en övergripande ökning av ljusstyrkan för enfotonkällan. "

När forskarna testade de nya nanokaviteterna, de fann att kvantprickarna placerade inuti nanokaviteterna sände ut fler fotoner per sekund än kvantprickar som inte befann sig inuti en sådan kavitet.

Eftersom nanokaviteterna är öppna ovanpå, emitterat ljus kan resa direkt i luften. Liknande nanokaviteter som skapats tidigare toppades med en metallbeläggning som var oönskad för att samla avgivna fotoner. Utsläppsprofilen från de nya nanokaviteterna matchar också bra med standardobjektiv för mikroskopobjektiv, så att en hög andel av ljuset kommer in i linsen. En felaktig överensstämmelse mellan emissionsprofilen och mikroskopobjektivlinser har orsakat problematisk ljusförlust i nanokavitetssystem som utvecklats tidigare.

Gör det lilla hålrummet

Teamet använde en modifierad tillverkningsteknik för att övervinna utmaningen att belägga nanopilarna med metall. Nanostrukturer som är långa och smala tenderar att uppleva så kallade skuggningseffekter eftersom nanofabricationstekniker använder en process där metall faller rakt ner på enheten ungefär som snö.

"Om du föreställer dig snö falla på ett träd, snön kommer att klamra sig fast och hopa sig på en gren på ett sätt som bildar en större bredd, eller hög, än själva grenen, "sa Kelaita." Detta händer också när metall läggs ovanpå något som en pelare. När metallen klamrar sig fast, det skapar en större hög än pelaren under den, hindrar metall från att falla under de delar som förmörkar pelaren. I slutet, denna skuggningseffekt skapar ett luftgap i enheten. "

För att lösa det här problemet, forskarna roterade och lutade samtidigt provet för att belägga alla sidor av pelaren samtidigt. Även med detta nya tillvägagångssätt, de var tvungna att vara försiktiga med den vinkel i vilken de avsatte metallen för att undvika att bilda en förbindelse mellan metallbeläggningen på sidorna av pelaren och metallen ovanpå. Om en anslutning skapades, det sista steget med att ultraljud ta bort metallkåpan ovanpå skulle vara svårt eller omöjligt.

"Andra grupper som arbetar med metall borde vara intresserade av denna teknik eftersom denna skuggningseffekt uppstår även för funktioner som är helt inkapslade i metall, sa Kelaita.

Ännu bättre nanokaviteter

Forskarna arbetar nu med att skapa andra typer av nanokaviteter med ännu bättre egenskaper. Till exempel, de vill försöka göra nanokaviteter i diamant, som kan tillåta enkelfotonkällor som fungerar vid rumstemperatur, ett nyckelkrav för att införliva kvantkryptering i konsumentenheter.

De vill också kombinera kunskapen från detta nya arbete med en invers designalgoritm som de nyligen utvecklat för att automatiskt designa fotoniska enheter integrerade på kiselchips. Med algoritmen, ingenjörer anger en önskad funktion och mjukvaran ger instruktioner för att skapa en struktur som utför den funktionen.