Forskare vid University of Rochester har visat att defekter på en atomärt tunn halvledare kan ge ljusavgivande kvantprickar. Kvantprickarna fungerar som en källa till enstaka fotoner och kan vara användbara för integrering av kvantfotonik med solid-state elektronik - en kombination som kallas integrerad fotonik.
Forskare har blivit intresserade av integrerade solid-state-enheter för användning av kvantinformationsbehandling. Kvantprickar i atomärt tunna halvledare kunde inte bara ge ett ramverk för att utforska den grundläggande fysiken för hur de interagerar, men även möjliggöra nanofotonikapplikationer, säger forskarna.
Kvantprickar kallas ofta konstgjorda atomer. De är konstgjorda eller naturligt förekommande defekter i fasta ämnen som studeras för ett brett spektrum av tillämpningar. Nick Vamivakas, biträdande professor i optik vid University of Rochester och senior författare på tidningen, tillägger att atomärt tunna, 2D-material, som grafen, har också skapat intresse bland forskare som vill utforska deras potential för optoelektronik. Dock, tills nu, optiskt aktiva kvantprickar har inte observerats i 2D-material.
I en tidning publicerad i Naturens nanoteknik Denna vecka, Rochester-forskarna visar hur volframdiselenid (WSe2) kan formas till en atomärt tunn halvledare som fungerar som en plattform för kvantprickar i fast tillstånd. Det kanske viktigaste är att defekterna som skapar prickarna inte hämmar den elektriska eller optiska prestandan hos halvledaren och de kan kontrolleras genom att applicera elektriska och magnetiska fält.
Vamivakas förklarar att ljusstyrkan hos kvantpunktemissionen kan styras genom att applicera spänningen. Han tillägger att nästa steg är att använda spänning för att "justera färgen" på de emitterade fotonerna, vilket kan göra det möjligt att integrera dessa kvantprickar med nanofotoniska enheter.
En viktig fördel är hur mycket lättare det är att skapa kvantprickar i atomärt tunn volframdiselenid jämfört med att producera kvantprickar i mer traditionella material som indiumarsenid.
"Vi börjar med en svart kristall och sedan skalar vi lager av den tills vi har en extremt tunn senare kvar, ett atomärt tunt ark av volframdiselenid, sa Vamivakas.
Forskarna tar två av dessa atomärt tunna ark och lägger den ena över den andra. Vid den punkt där de överlappar varandra, en kvantprick skapas. Överlappningen skapar en defekt i det annars släta 2D-arket av halvledarmaterial. De extremt tunna halvledarna är mycket lättare att integrera med annan elektronik.
Kvantprickarna i volframdiselenid har också en inneboende kvantfrihetsgrad - elektronsnurret. Detta är en önskvärd egenskap eftersom spinnet både kan fungera som ett lager av kvantinformation samt ge en sond av den lokala kvantpunktsmiljön.
"Vad som gör volframdiselenid extremt mångsidig är att färgen på de enskilda fotoner som emitteras av kvantprickarna är korrelerad med kvantpunktssnurret, " sa första författare Chitraleema Chakraborty. Chakraborty tillade att den lätthet med vilken spinn och fotoner interagerar med varandra borde göra dessa system idealiska för kvantinformationsapplikationer såväl som nanoskala metrologi.
