Kvantemitterare är nyckeln till en rad olika tekniker, inklusive lysdioder, lasrar och, särskilt, fotonisk kvantkommunikation och beräkningsprotokoll. Än så länge, forskare har vänt sig till diamant och kiselkarbid (SiC) för att utveckla enstaka fotonkällor på grund av deras breda bandgap och utmärkta optiska egenskaper. Dock, bristerna i dessa halvledare belyses av försök att manipulera och dirigera denna typ av kvantemission på ett integrerat sätt för att skapa skalbara system.

Nu Tsung-Ju Lu och Benjamin Lienhard, och ett team av forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och City University of New York i USA, ledd av MIT:s Dirk Englund, har producerat kvantemitrar i en III-V halvledare, aluminiumnitrid (AlN). AIN är redan väletablerat inom optoelektronik och högspänningselektronikindustrin. Genom att mönstra AlN med de inbäddade kvantemitterna, de kunde integrera sändarna direkt i en fotonisk krets.

Få kvantemission

Lu beskriver kvantemitterare som ljuskällor som avger enstaka fotoner. "De kan potentiellt ha elektronspinntillstånd som kan bilda en kvantbit, eller qubit, där de enda ljuspartiklar som sänds ut av kvantemittern bär qubitens information, "säger han till Phys.org. Det är vid routing av qubits information med fotoniska integrerade kretsar som problem uppstår med kvantemitrar som produceras i diamant eller SiC, eftersom forskare inte kan odla dessa material som tunna filmer på ett substrat med lågt brytningsindex, som behövs för den totala inre reflektionen i fotoniska vågledare.

En lovande väg kring detta är att kombinera dessa material med andra material som redan är väletablerade som fotoniska integrerade kretsplattformar för att omdirigera fotonerna som produceras, men detta introducerar potentiell ineffektivitet vid anslutning mellan olika material. Lu och hans kollegor hade redan utvecklat en AlN-on-safir fotonikplattform i syfte att interagera med välstuderade kvantemitrar i andra material som diamant.

"Eftersom AlN har en av de största bandgapen bland alla halvledarmaterial, det var naturligt för oss att undersöka om AlN själv kan vara värd för kvantemitterare som enkelt kan integreras och anslutas till vår AlN-on-safir fotonikplattform, " han säger.

Uppvärmd till perfektion

Forskarna började med skivor sammansatta av tätt packade sexkantiga nanokolonner av AlN odlade ovanpå safir och producerade kvantemitrar i materialet genom att bombardera det med heliumjoner med hjälp av ett heliumjonmikroskop för att producera vakansbaserade defekter där en atom i kristallgitteret saknas. Defektcentren har en elektronisk energinivåstruktur som liknar atomer. Som sådan, defektcentret kan stimuleras till det upphetsade tillståndet genom att lysa en laser på det, och en enda foton avges när den förfaller tillbaka till grundtillståndet. Denna enkla fotonemission har en "anti-buntande" egenskap-eftersom kvantemittern avger endast en foton åt gången, en begränsad tid går mellan fotonemissioner.

Halvledare kräver vanligtvis hög kristallinitet för att vara värd för stabila kvantemitrar. Fångsten är att när AlN -filmer växer på annat material, till exempel, safir som i det nuvarande arbetet, det måste vara ganska tjockt för att fastställa hög kristallinitet. Som ett resultat, när forskarna studerade sina tunna filmer behandlade med heliumjoner följt av glödgning vid 700 grader C för att bilda kvantemitterare, deras fotoluminescensmätningar överbelastades med bakgrundsljud, döljer närvaron av kvantemitterare. Lyckligtvis, de fann att behandling med hög temperatur vid en ännu högre temperatur på 1000 grader C kunde förbättra kristalliniteten i tillräcklig grad för att lösa enstaka fotonutsändare.

Forskarna mätte och karakteriserade kvantemitterarna i prover glödgade vid 1000 grader C, som visade sig ha en hög utsläppshastighet med bibehållen exceptionell renhet av enfoton, allt under drift vid rumstemperatur. Vidare, genom att mönstra provet med element som distribuerade Bragg -reflektorer, spektralfilter, balkdelare och kant- eller gallerkopplare, de skulle kunna integrera kvantemitterarna direkt i fotoniska kretsar, visar potentialen för att skapa högkvalitativa kvantemitrar monolitiskt integrerade i ett brett utbud av AlN-baserade enheter.

Efter att ha fastställt de utmärkta optiska egenskaperna hos AlN -kvantemitterarna, forskarna tänker sedan ange deras exakta ursprung för att få en inblick i om de har spinntillstånd som kan styras optiskt för att fungera som qubits.

© 2020 Science X Network