Gli emettitori quantistici sono fondamentali per una gamma di tecnologie tra cui LED, laser e, in particolare, comunicazione quantistica fotonica e protocolli di calcolo. Finora, gli scienziati si sono rivolti al diamante e al carburo di silicio (SiC) per sviluppare sorgenti di singoli fotoni a causa della loro ampia banda proibita e delle eccellenti proprietà ottiche. Però, le carenze di questi semiconduttori sono evidenziate dai tentativi di manipolare e indirizzare questo tipo di emissione quantistica in modo integrato per creare sistemi scalabili.

Ora Tsung-Ju Lu e Benjamin Lienhard, e un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e della City University di New York negli Stati Uniti, guidato da Dirk Englund del MIT, hanno prodotto emettitori quantistici in un semiconduttore III-V, nitruro di alluminio (AlN). AIN è già ben consolidata nel settore dell'optoelettronica e dell'elettronica ad alta tensione. Modellando l'AlN con gli emettitori quantistici incorporati, sono stati in grado di integrare gli emettitori direttamente in un circuito fotonico.

Ottenere emissioni quantiche

Lu descrive gli emettitori quantistici come sorgenti luminose che emettono singoli fotoni. "Potrebbero avere stati di spin degli elettroni che possono formare un bit quantico, o qubit, in cui le singole particelle di luce emesse dall'emettitore quantistico trasportano le informazioni del qubit, " dice a Phys.org. È nell'instradare le informazioni del qubit utilizzando circuiti integrati fotonici che sorgono problemi con gli emettitori quantistici prodotti in diamante o SiC, perché i ricercatori non possono coltivare questi materiali come film sottili su un substrato a basso indice di rifrazione, che è necessaria per la riflessione interna totale nelle guide d'onda fotoniche.

Un modo promettente per aggirare questo problema è combinare questi materiali con altri materiali già affermati come piattaforme di circuiti integrati fotonici per reindirizzare i fotoni prodotti, ma questo introduce potenziali inefficienze quando si collegano materiali diversi. Lu e i suoi colleghi avevano già sviluppato una piattaforma fotonica AlN su zaffiro allo scopo di interfacciarsi con emettitori quantistici ben studiati in altri materiali come il diamante.

"Poiché AlN ha uno dei più ampi gap di banda tra tutti i materiali semiconduttori, è stato naturale per noi esplorare se lo stesso AlN può ospitare o meno emettitori quantistici che possono essere facilmente integrati e collegati alla nostra piattaforma fotonica AlN-on-zaffiro, " lui dice.

Riscaldato alla perfezione

I ricercatori hanno iniziato con wafer composti da nanocolonne esagonali densamente impacchettate di AlN cresciute sopra lo zaffiro e hanno prodotto emettitori quantistici nel materiale bombardandolo con ioni di elio usando un microscopio a ioni di elio per produrre difetti basati sulla vacanza in cui un atomo nel reticolo cristallino manca. I centri difetto hanno una struttura del livello di energia elettronica simile a quella degli atomi. Come tale, il centro del difetto può essere stimolato allo stato eccitato puntando un laser su di esso, e un singolo fotone viene emesso quando decade di nuovo allo stato fondamentale. Questa emissione di un singolo fotone ha una caratteristica "anti-ammassamento", perché l'emettitore quantistico emette solo un fotone alla volta, tra le emissioni di fotoni passa un periodo di tempo finito.

I semiconduttori richiedono tipicamente un'elevata cristallinità per ospitare emettitori quantistici stabili. Il problema è che quando i film di AlN crescono su un altro materiale, Per esempio, zaffiro come nell'opera attuale, deve essere abbastanza spesso per stabilire un'elevata cristallinità. Di conseguenza, quando i ricercatori hanno studiato i loro film sottili trattati con ioni di elio seguiti da ricottura a 700 gradi C per formare emettitori quantistici, le loro misurazioni di fotoluminescenza sono state sommerse dal rumore di fondo, nascondendo la presenza di emettitori quantistici. Fortunatamente, hanno scoperto che il trattamento ad alta temperatura a una temperatura ancora più elevata di 1000 gradi C potrebbe migliorare la cristallinità a un livello sufficiente per risolvere gli emettitori di singoli fotoni.

I ricercatori hanno misurato e caratterizzato gli emettitori quantistici in campioni ricotti a 1000 gradi C, che hanno dimostrato di avere un alto tasso di emissione pur mantenendo un'eccezionale purezza del singolo fotone, il tutto durante il funzionamento a temperatura ambiente. Per di più, modellando il campione con elementi come riflettori Bragg distribuiti, filtri spettrali, divisori di travi e accoppiatori per bordi o griglie, potrebbero integrare direttamente gli emettitori quantistici nei circuiti fotonici, mostrando il potenziale per la creazione di emettitori quantistici di alta qualità integrati monoliticamente in un'ampia gamma di dispositivi basati su AlN.

Avendo stabilito le eccellenti proprietà ottiche degli emettitori quantistici di AlN, i ricercatori intendono quindi individuare la loro origine esatta per ottenere un'idea se hanno stati di spin che possono essere controllati otticamente per agire come qubit.

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