Självmonterade halvledarkvantprickar (QDs) representerar en tredimensionell begränsad nanostruktur med diskreta energinivåer, som liknar atomer. De kan producera mycket effektiva och oskiljbara enstaka fotoner på begäran och är viktiga för att utforska grundläggande kvantfysik och olika tillämpningar inom kvantinformationsteknik. Genom att utnyttja traditionella halvledarprocesser erbjuder detta materialsystem också en naturlig integrationskompatibel och skalbar plattform.

För en idealisk QD-enfotonkälla, är ett allmänt antaget tillvägagångssätt för att uppnå fotoner med både hög extraktionseffektivitet och omöjlig att urskilja, att bädda in QDs i Purcell-förbättrade fotoniska kaviteter. Den spatialt slumpmässiga fördelningen av QD gör det dock utmanande att deterministiskt koppla dem med fotoniska strukturer.

För närvarande är exakt inriktning av deras rumsliga positioner beroende av noggranna optiska fluorescenspositioneringstekniker, och en av de optimala strategierna för våglängdsinriktning involverar att införa spänningsinställning.

De nuvarande toppmoderna QD-enfotonkällorna är baserade på öppna Fabry-Perot (FP) kavitetsstrukturer eller elliptiska mikropelare. Den förstnämnda uppnår inriktning av position och våglängd genom att finjustera topp- och bottenspeglarna, men diskreta strukturer är känsliga för miljövibrationer. Den senares isolerade struktur hindrar spänningsöverföring, vilket gör effektiv våglängdsinställning utmanande.

För närvarande är denna struktur fortfarande beroende av temperaturjustering inom ett litet område, vilket avsevärt minskar enhetens utbyte. Att uppnå effektiv integration av spänningsinställning i en mikrokavitetsstruktur, samtidigt som man säkerställer exakt inriktning av rumslig position och våglängd, är fortfarande en formidabel utmaning.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Light:Science &Applications , samarbetet mellan Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu från Sun Yat-sen University och Yan Chen från National University of Defense Technology tog sig an dessa utmaningar genom att innovativt kombinera FP-mikrohålrum med ett piezoelektriskt ställdon, och utveckla en monolitisk våglängdsavstämbar mikrokavitetsstruktur . Detta innovativa tillvägagångssätt eliminerar behovet av etsning av halvledarmaterial, förhindrar ytdefekter och underlättar effektiv spänningsledning.

Som visas i Fig. la är den designade FP-mikrokaviteten i detta arbete integrerad på ett piezoelektriskt substrat. Eftersom QDs finns i den tunna filmen kan stress effektivt överföras. Denna struktur kräver inte etsning av halvledarmaterial, vilket effektivt undviker inverkan av sidoväggsdefekter på QD-emission.

I FP-mikrokavitetsstrukturen som avbildas i Fig. 1b, bildas den vertikala inneslutningen av det optiska fältet av övre och nedre Bragg-reflektorer, medan den laterala inneslutningen av det optiska fältet skapas av en parabolisk SiO₂ defekt. Den simulerade effektiviteten för enfotonkällan kan nå 0,95, med en Purcell-faktor på 40 (Fig. 1c). Dessutom har grundläget en Gauss-liknande fjärrfältsfördelning, vilket underlättar kopplingen till optiska fibrer.

I den experimentella implementeringen användes högprecision bredfälts optisk positioneringsteknik för att placera QDs i mitten av FP-mikrohålrummen (Fig. 2b). Därefter integrerades den tunnfilmsmikrokaviteten som innehöll en enda QD på ett PMN-PT (100)-substrat med hjälp av mikroöverföringsutskriftsteknik (Fig. 2a).

Ett avstämningsområde på 1,3 nm uppnåddes genom spänningsavsökning (fig. 2c), vilket är det största våglängdsavstämningsintervallet som rapporterats för alla mikrokavitetsstrukturer hittills. En anmärkningsvärd 50-faldig förbättring av ljusstyrkan erhålls när QD:n förs med mikrokavitets fundamentala läge, en 50-faldig förbättring av ljusstyrkan uppnås (Fig. 2d).

Vidare, när QD är kopplad till det H-polariserade läget (Fig. 3a), registreras en topp APD-räknehastighet på 2,88 Mcps under pulsresonansfluorescens (Fig. 3b), med en extraherad polariserad enkelfotonextraktionseffektivitet på 0,58 och en snabb livstid på 100 ps.

Jämfört med QDs i plana strukturer representerar detta en tiofaldig minskning av livslängden (Fig. 3c). Hanbury Brown och Twiss korrelationsmätning extraherar en enkelfotonrenhet på 0,956 (Fig. 3d), vilket betyder en låg sannolikhet för flera foton. Två-fotoninterferensexperiment understryker en imponerande foton omöjlig att särskilja på 0,922 (Fig. 3e).

Sammanfattningsvis har forskarna utvecklat en monolitisk FP-mikrokavitetsstruktur med fördelen av optimalt utnyttjande av Purcell-effekten, ett kompakt fotavtryck och integrationsmöjligheter. Genom deterministisk inbäddning av en enda QD i mikrokaviteten uppnås högpresterande enstaka fotonkällor med samtidig hög extraktionseffektivitet, hög renhet och hög omöjlighet att skiljas åt.

När det gäller framtida utvecklingar kan laddningsstabilisering eller spinninjektion med hjälp av elektriska grindade enheter implementeras direkt i strukturen för att realisera lågbrus enfotonemission eller spin-foton intrassling/ett linjärt klustertillstånd.

Dessutom kan töjningsjustering också användas för att radera den spektrala inhomogeniteten mellan olika QDs och adressera FSS. Dessa aspekter är avgörande för förverkligandet av högpresterande källa för intrasslade fotonpar.

Mest intressant är att kavitetssystemets enkelhet och mångsidighet öppnar vägar för att etablera ett nytt tillverkningsparadigm för kvantljuskällor, där flera typer av solida kvantljuskällor (inklusive halvledar-QD:er, defekter, etc.) med olika emittermaterial och driftsvåglängder skulle kunna samtillverkas på samma PMN-PT-plattform. Detta potentiella genombrott kan avsevärt främja skalbar kvantfotonisk teknik i framtiden.

Mer information: Jiawei Yang et al, Avstämbara kvantprickar i monolitiska Fabry-Perot-mikrohåligheter för högpresterande enfotonkällor, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7

Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar

Tillhandahålls av TranSpread