I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di cavità ottica che migliora la luce, alta solo 200 nanometri e larga 100 nanometri. Il loro nuovo sistema su nanoscala rappresenta un passo avanti verso sorgenti a singolo fotone più luminose, che potrebbe aiutare a promuovere la crittografia basata sui quanti e una rete veramente sicura e a prova di futuro.

Tecniche di crittografia quantistica, che sono considerati probabilmente fondamentali per i futuri metodi di crittografia dei dati, utilizzare i singoli fotoni come un modo estremamente sicuro per codificare i dati. Una limitazione di queste tecniche è stata la capacità di emettere fotoni a velocità elevate. "Una delle figure di merito più importanti per le sorgenti a fotone singolo è la luminosità, o fotoni raccolti al secondo, perché più è luminosa, più dati puoi trasmettere in modo sicuro con la crittografia quantistica, " disse Yousif Kelaita, Laboratorio di nanoscala e fotonica quantistica, Università di Stanford, California.

Nel diario Materiali ottici Express , Kelaita e i suoi colleghi mostrano che la loro nuova nanocavità ha aumentato significativamente la luminosità di emissione dei punti quantici, particelle semiconduttrici su scala nanometrica che possono emettere singoli fotoni.

I ricercatori hanno creato la nuova nanocavità utilizzando argento altamente riflettente per rivestire i lati di un pilastro semiconduttore su nanoscala posizionato su un substrato. L'argento fa rimbalzare la luce all'interno del nanopilastro, trasformandolo in una cavità ottica molto piccola. I ricercatori affermano che lo stesso concetto di design potrebbe essere utilizzato per costruire nanocavità da altri materiali adattati a diversi emettitori di fotoni singoli.

Intrappolare la luce in un piccolo spazio

A scala nanometrica, la luce interagisce con i materiali in modi unici. Un esempio è l'effetto Purcell, che migliora l'efficienza di emissione di un punto quantico o altro emettitore di luce confinato in una piccola cavità. I sistemi che mostrano il miglioramento di Purcell emetteranno più fotoni in un determinato periodo di tempo, che potrebbe consentire sistemi di crittografia quantistica che funzionano più velocemente di quanto sia possibile ora.

Il raggiungimento del miglioramento Purcell beneficia di cavità estremamente piccole perché l'energia viene trasferita più rapidamente tra l'emettitore di luce e la cavità. È anche auspicabile avere un fattore di qualità sufficientemente elevato, il che significa che il riflesso della cavità consente alla luce di rimbalzare a lungo.

"Abbiamo dimostrato un nuovo tipo di cavità con un volume di più ordini di grandezza inferiore all'attuale stato dell'arte nei sistemi a stato solido, " ha detto Kelaita. "Il sistema produce un forte miglioramento Purcell e un'elevata efficienza di raccolta della luce allo stesso tempo, che porta ad un aumento complessivo della luminosità della sorgente a singolo fotone."

Quando i ricercatori hanno testato le nuove nanocavità, hanno scoperto che i punti quantici posizionati all'interno delle nanocavità emettevano più fotoni al secondo rispetto ai punti quantici non situati all'interno di tale cavità.

Poiché le nanocavità sono aperte in alto, la luce emessa può viaggiare direttamente nell'aria. Nanocavità simili create in precedenza erano ricoperte da un rivestimento metallico indesiderabile per la raccolta dei fotoni emessi. Il profilo di emissione delle nuove nanocavità si abbina bene anche alle lenti degli obiettivi dei microscopi standard, permettendo ad un'alta percentuale di luce di entrare nell'obiettivo. Una mancata corrispondenza tra il profilo di emissione e le lenti dell'obiettivo del microscopio ha causato una problematica perdita di luce nei sistemi di nanocavità sviluppati in precedenza.

Fare la piccola cavità

Il team ha utilizzato una tecnica di fabbricazione modificata per superare la sfida di rivestire i nanopilastri con il metallo. Le nanostrutture alte e magre tendono a sperimentare i cosiddetti effetti shadowing perché le tecniche di nanofabbricazione utilizzano un processo in cui il metallo cade direttamente sul dispositivo proprio come la neve.

"Se immagini la neve che cade su un albero, la neve si aggrapperà a se stessa e si accumulerà su un ramo in modo da formare una larghezza maggiore, o tumulo, del ramo stesso, " ha detto Kelaita. "Questo accade anche quando il metallo viene depositato sopra qualcosa come un pilastro. Mentre il metallo si aggrappa a se stesso, crea un tumulo più grande del pilastro sottostante, impedendo al metallo di cadere sotto le parti che eclissano il pilastro. Alla fine, questo effetto ombra crea un'intercapedine d'aria nel dispositivo."

Risolvere questo problema, i ricercatori hanno ruotato e inclinato simultaneamente il campione per rivestire tutti i lati del pilastro contemporaneamente. Anche con questo nuovo approccio, dovevano stare attenti all'angolo con cui depositavano il metallo per evitare che si formasse una connessione tra il rivestimento metallico dei lati del pilastro e il metallo sopra. Se si è creato un collegamento, la fase finale della rimozione ultrasonica del cappuccio metallico sulla parte superiore sarebbe difficile o impossibile.

"Altri gruppi che lavorano con il metallo dovrebbero essere interessati a questa tecnica perché questo effetto ombra si verifica anche per le caratteristiche che sono completamente incapsulate nel metallo, " disse Kelaita.

Nanocavità ancora migliori

I ricercatori stanno ora lavorando per creare altri tipi di nanocavità con caratteristiche ancora migliori. Per esempio, vogliono provare a fare nanocavità in diamante, che potrebbe consentire sorgenti a singolo fotone che operano a temperatura ambiente, un requisito fondamentale per incorporare la crittografia quantistica nei dispositivi consumer.

Vogliono anche combinare le conoscenze acquisite da questo nuovo lavoro con un algoritmo di progettazione inversa che hanno sviluppato di recente per progettare automaticamente dispositivi fotonici integrati su chip di silicio. Con l'algoritmo gli ingegneri specificano una funzione desiderata e il software fornisce istruzioni per creare una struttura che svolga tale funzione.