*Forskare har gjort ett genombrott i utvecklingen av ultratunna kvantljuskällor, vilket visar hur excitoniska interaktioner avsevärt kan förbättra effektiviteten av generering av intrasslade fotoner.*
Kvantljuskällor är avgörande komponenter i olika kvantteknologier, såsom kvantberäkning, kvantkommunikation och kvantmetrologi. Dessa källor avger fotoner som är intrasslade, vilket betyder att deras egenskaper är sammanlänkade på ett sätt som inte kan förklaras av klassisk fysik. Denna förveckling är en grundläggande resurs för många kvantteknologier och möjliggör uppgifter som säker kommunikation och högprecisionsmätningar.
Traditionellt genereras intrasslade fotoner med skrymmande olinjära kristaller, som vanligtvis är flera millimeter tjocka. Dessa kristaller kräver hög pumpeffekt och lider av låg effektivitet, vilket begränsar deras praktiska tillämpningar. För att övervinna dessa utmaningar har forskare utforskat ultratunna kvantljuskällor, som erbjuder potentialen för kompakta, effektiva och skalbara enheter.
I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Nature Photonics , har forskare från University of Tokyo, National Institute for Materials Science (NIMS) och University of Electro-Communications i Japan visat hur excitoniska interaktioner kan öka effektiviteten hos generering av intrasslade fotoner i ultratunna kvantljuskällor.
Teamet, ledd av professor Yasuhiko Arakawa, tillverkade ultratunna halvledarheterostrukturer bestående av alternerande lager av galliumarsenid (GaAs) och aluminiumarsenid (AlAs). Dessa heterostrukturer uppvisar starka excitoniska interaktioner, där elektroner och hål i halvledarmaterialet bildar bundna tillstånd som kallas excitoner. Excitoner har distinkta egenskaper som kan utnyttjas för att förbättra ljus-materia-interaktioner och förbättra effektiviteten av fotongenerering.
Genom att noggrant utforma tjockleken och sammansättningen av heterostrukturerna kunde forskarna uppnå mycket effektiv generering av intrasslade fotoner. De observerade en signifikant ökning av emissionshastigheten för intrasslade fotoner jämfört med konventionella ultratunna kvantljuskällor utan excitoniska interaktioner.
Den förbättrade effektiviteten tillskrivs Purcell-effekten, som beskriver modifieringen av spontana emissionshastigheter i närvaro av resonans optiska kaviteter. I de ultratunna heterostrukturerna fungerar excitonerna som lokaliserade sändare, och de starka excitoniska interaktionerna skapar en gynnsam miljö för Purcell-effekten. Detta leder till snabbare och effektivare emission av intrasslade fotoner.
Studien representerar ett betydande steg framåt i utvecklingen av ultratunna kvantljuskällor. Den effektiva genereringen av intrasslade fotoner i dessa ultratunna strukturer banar väg för förverkligandet av kompakta, högpresterande kvantenheter och öppnar för nya möjligheter för kvantinformationsbehandling och kommunikationsteknik.
"Våra resultat ger en lovande väg för utvecklingen av praktiska kvantljuskällor", säger professor Arakawa. "Genom att utnyttja excitoniska interaktioner kan vi uppnå effektiv generering av intrasslade fotoner i ultratunna halvledare, vilket möjliggör miniatyrisering och integration av kvantenheter för framtida kvantteknologier."
