Emission av en foton genom en självmonterad GaN/AlN kvantpunkt. Kredit:J. Stachurski (EPFL)
För att komma närmare kvantteknologin behöver vi utveckla icke-klassiska ljuskällor som kan sända ut en enda foton åt gången och göra det på begäran. Forskare vid EPFL har nu designat en av dessa "single photon emitters" som kan fungera i rumstemperatur och är baserad på kvantprickar odlade på kostnadseffektiva kiselsubstrat.
Att utveckla icke-klassiska ljuskällor som kan avge, på begäran, exakt en foton i taget är ett av de viktigaste kraven för kvantteknik. Men även om den första demonstrationen av en sådan "single photon emitter", eller SPE, går tillbaka till 1970-talet, har deras låga tillförlitlighet och effektivitet stått i vägen för all meningsfullt praktisk användning.
Konventionella ljuskällor som glödlampor eller lysdioder avger massa fotoner åt gången. Med andra ord är deras sannolikhet att sända ut en enda foton åt gången mycket låg. Laserkällor kan sända strömmar av enstaka fotoner, men inte på begäran, vilket innebär att det ibland inte kommer att sändas ut några fotoner alls när vi vill att de ska göra det.
Så den största fördelen med SPE:er är att de kan göra både och:sända ut en enda foton och göra det på begäran – eller, i mer tekniska termer, deras renhet med en foton, som de kan upprätthålla vid en ultrasnabb tidsram. För att en ljuskälla ska kvalificera sig som en SPE måste den alltså ha en renhet av en foton över 50 %; naturligtvis, ju närmare 100 %, desto närmare kommer vi att vara en idealisk SPE.
Forskare vid EPFL, ledda av professor Nicolas Grandjean, har nu utvecklat "ljusa och rena" SPE:er baserade på halvledarkvantprickar med breda bandgap, odlade på kostnadseffektiva kiselsubstrat.
Kvantprickarna är gjorda av galliumnitrid och aluminiumnitrid (GaN/AlN) och har en enfotonrenhet på 95 % vid kryogena temperaturer, samtidigt som de bibehåller utmärkt god motståndskraft vid högre temperaturer, med en renhet på 83 % vid rumstemperatur.
SPE:n visar också fotonemissionshastigheter upp till 1 MHz samtidigt som den bibehåller en enfotonrenhet över 50 %. "En sådan ljusstyrka upp till rumstemperatur är möjlig på grund av de unika elektroniska egenskaperna hos GaN/AlN-kvantprickarna, som bevarar singelfotonernas renhet på grund av den begränsade spektrala överlappningen med konkurrerande närliggande elektronisk excitation", säger Stachurski, Ph.D. . student som undersökte dessa kvantsystem.
"En mycket tilltalande egenskap hos GaN/AlN kvantprickar är att de tillhör III-nitrid-halvledarfamiljen, nämligen den bakom halvledarbelysningsrevolutionen (blå och vita lysdioder) vars betydelse erkändes av Nobelpriset i fysik 2014 ", konstaterar forskarna. "Det är numera den andra halvledarfamiljen när det gäller konsumentmarknaden direkt efter kisel som dominerar den mikroelektroniska industrin. Som sådan drar III-nitrider nytta av en solid och mogen teknisk plattform, vilket gör dem av stort potentiellt intresse för utveckling av kvantapplikationer ."
Ett viktigt framtida steg kommer att vara att se om denna plattform kan sända ut en foton och endast en per laserpuls, vilket är en väsentlig förutsättning för att bestämma dess effektivitet.
"Eftersom våra elektroniska excitationer uppvisar rumstemperaturlivslängder så korta som 2 till 3 miljarddels sekund, kan enstaka fotonhastigheter på flera tiotals MHz vara inom räckhåll", säger författarna. "Kombinerat med resonanslaserexcitering, som är känd för att avsevärt förbättra singelfotons renhet, kan vår kvantpunktsplattform vara av intresse för att implementera kvantnyckelfördelning vid rumstemperatur baserad på en sann SPE, i motsats till nuvarande kommersiella system som körs med försvagade laserkällor."
Forskningen publicerades i Light:Science &Applications . + Utforska vidare
