Forskare från Graphene Flagship använder skiktade material för att skapa en helelektrisk kvantljusemitterande dioder (LED) med enkelfotonemission. Dessa lysdioder har potential som on-chip fotonkällor i kvantinformationstillämpningar.

Atomtunna lysdioder som avger en foton i taget har utvecklats av forskare från Graphene Flagship. Konstruerad av lager av atomärt tunna material, inklusive övergångsmetalldikalkogenider (TMD), grafen, och bornitrid, de ultratunna lysdioderna som visar helt elektrisk enkelfotongenerering kan vara utmärkta kvantljuskällor på chipet för ett brett utbud av fotonikapplikationer för kvantkommunikation och nätverk. Forskningen, redovisas i Naturkommunikation , leddes av University of Cambridge, STORBRITANNIEN.

De ultratunna enheterna som rapporteras i tidningen är konstruerade av tunna lager av olika lagermaterial, staplade ihop för att bilda en heterostruktur. Elektrisk ström injiceras i enheten, tunnling från enskiktsgrafen, genom fålagers bornitrid som fungerar som en tunnelbarriär, och in i mono- eller tvåskikts TMD-materialet, såsom volframdiselenid (WSe2), där elektroner rekombinerar med hål för att avge enstaka fotoner. Vid höga strömmar, denna rekombination sker över hela enhetens yta, vid låga strömmar, kvantbeteendet är uppenbart och rekombinationen är koncentrerad till mycket lokaliserade kvantemitters.

Helelektrisk enfotonemission är en nyckelprioritet för integrerad kvantoptoelektronik. Vanligtvis, generering av singelfoton bygger på optisk excitation och kräver storskaliga optiska inställningar med lasrar och exakt inriktning av optiska komponenter. Denna forskning tar emission av en foton på chip för kvantkommunikation ett steg närmare. Professor Mete Atatüre (Cavendish Laboratory, Universitetet i Cambridge, STORBRITANNIEN), medförfattare till forskningen, förklarar "I slutändan, i en skalbar krets, vi behöver helt integrerade enheter som vi kan styra med elektriska impulser, istället för en laser som fokuserar på olika segment av en integrerad krets. För kvantkommunikation med enstaka fotoner, och kvantnätverk mellan olika noder – t.ex. att koppla qubits – vi vill bara kunna driva ström, och få ut ljuset. Det finns många sändare som är optiskt exciterbara, men bara en handfull är elektriskt drivna" I sina enheter, en blygsam ström på mindre än 1 µA säkerställer att enfotonens beteende dominerar emissionsegenskaperna.

Den skiktade strukturen hos TMD gör dem idealiska för användning i ultratunna heterostrukturer för användning på chips, och lägger också till fördelen med atomärt exakt skiktgränssnitt. Kvantemitterna är mycket lokaliserade i TMD-skiktet och har spektralt skarpa emissionsspektra. Den skiktade naturen erbjuder också en fördel jämfört med vissa andra enfotonemitters för genomförbar och effektiv integrering i nanofotoniska kretsar. Professor Frank Koppens (ICFO, Spanien), ledare för arbetspaket 8 – optoelektronik och fotonik, tillägger "Elektriskt drivna enfotonkällor är viktiga för många applikationer, och denna första insikt med skiktade material är en riktig milstolpe. Denna ultratunna och flexibla plattform erbjuder höga nivåer av inställning, designfrihet, och integrationsmöjligheter med nanoelektroniska plattformar inklusive silicon CMOS."

Denna forskning är ett fantastiskt exempel på de möjligheter som kan öppnas med nya upptäckter om material. Kvantprickar upptäcktes att existera i skiktade TMD:er helt nyligen, med forskning som publicerades samtidigt i början av 2015 av flera olika forskargrupper inklusive grupper som för närvarande arbetar inom flaggskeppet Graphene. Dr Marek Potemski och medarbetare som arbetar på CNRS (Frankrike) i samarbete med forskare vid universitetet i Warszawa (Polen) upptäckte stabila kvantemitter i kanterna av WSe2-monoskikt, uppvisar starkt lokaliserad fotoluminescens med singelfotonemissionsegenskaper. Professor Kis och kollegor som arbetar vid ETH Zürich och EPFL (Schweiz) observerade också enskilda fotonemitters med smala linjebredder i WSe2. På samma gång, Professor van der Zant och kollegor från Delft University of Technology (Nederländerna), arbetade med forskare vid universitetet i Münster (Tyskland) observerade att de lokala emittnarna i WSe2 beror på instängda excitoner, och föreslog att de härrör från strukturella defekter. Dessa kvantemitter har potential att ersätta forskning om de mer traditionella kvantprickmotsvarigheterna på grund av deras många fördelar med de ultratunna enheterna i de skiktade strukturerna.

Med denna forskning, kvantemitters ses nu i ett annat TMD-material, nämligen volframdisulfid (WS2). Professor Atatüre säger "Vi valde WS2 eftersom det har högre bandgap, och vi ville se om olika material erbjöd olika delar av spektra för emission av en enda foton. Med detta, vi har visat att kvantemissionen inte är en unik egenskap hos WSe2, vilket antyder att många andra skiktade material också kan vara värd för kvantprickliknande funktioner."

Professor Andrea Ferrari (University of Cambridge, STORBRITANNIEN), Ordförande för Graphene Flagship Management Panel, och flaggskeppets vetenskaps- och teknikansvarige, var också medförfattare till forskningen. Han tillägger "Vi skrapar bara på ytan av de många möjliga tillämpningarna av enheter som framställts genom att kombinera grafen med annan isolering, halvledande, supraledande eller metalliskt skiktade material. I detta fall, inte bara har vi visat kontrollerbara fotonkällor, men vi har också visat att kvantteknikområdet kan dra stor nytta av skiktade material. Vi hoppas att detta kommer att ge synergier mellan flaggskeppet Graphene och dess forskare, och det nyligen tillkännagivna Quantum Technologies flaggskeppet, kommer att starta inom de närmaste åren. Många fler spännande resultat och ansökningar kommer säkert att följa."