Emissione di un singolo fotone da un punto quantico GaN/AlN autoassemblato. Credito:J. Stachurski (EPFL)
Per avvicinarci alla tecnologia quantistica dobbiamo sviluppare sorgenti di luce non classiche in grado di emettere un singolo fotone alla volta e farlo su richiesta. Gli scienziati dell'EPFL hanno ora progettato uno di questi "emettitori di fotoni singoli" che possono funzionare a temperatura ambiente e si basano su punti quantici cresciuti su substrati di silicio convenienti.
Lo sviluppo di sorgenti luminose non classiche in grado di emettere, su richiesta, esattamente un fotone alla volta è uno dei requisiti principali delle tecnologie quantistiche. Ma sebbene la prima dimostrazione di un tale "emettitore di fotoni singoli", o SPE, risalga agli anni '70, la loro bassa affidabilità ed efficienza ha ostacolato qualsiasi uso significativamente pratico.
Le sorgenti luminose convenzionali come le lampadine a incandescenza o i LED emettono mazzi di fotoni alla volta. In altre parole, la loro probabilità di emettere un singolo fotone alla volta è molto bassa. Le sorgenti laser possono emettere flussi di singoli fotoni, ma non su richiesta, il che significa che, a volte, non ci saranno fotoni emessi quando lo desideriamo.
Quindi il vantaggio principale delle SPE è che possono fare entrambe le cose:emettere un singolo fotone e farlo su richiesta o, in termini più tecnici, la loro purezza di un singolo fotone, che possono mantenere in un lasso di tempo ultraveloce. Pertanto, affinché una sorgente luminosa possa essere qualificata come SPE, deve presentare una purezza di un singolo fotone superiore al 50%; ovviamente, più ci avviciniamo al 100%, più saremo vicini a una SPE ideale.
I ricercatori dell'EPFL, guidati dal professor Nicolas Grandjean, hanno ora sviluppato SPE "luminosi e puri" basati su punti quantici a semiconduttore a banda larga cresciuti su substrati di silicio convenienti.
I punti quantici sono realizzati in nitruro di gallio e nitruro di alluminio (GaN/AlN) e presentano una purezza del singolo fotone del 95% a temperature criogeniche, pur mantenendo un'eccellente buona resilienza a temperature più elevate, con una purezza dell'83% a temperatura ambiente.
L'SPE mostra anche velocità di emissione di fotoni fino a 1 MHz mantenendo una purezza di un singolo fotone superiore al 50%. "Tale luminosità fino a temperatura ambiente è possibile grazie alle proprietà elettroniche uniche dei punti quantici GaN/AlN, che preservano la purezza del singolo fotone a causa della limitata sovrapposizione spettrale con l'eccitazione elettronica vicina in competizione", afferma Stachurski, il Ph.D. . studente che ha studiato questi sistemi quantistici.
"Una caratteristica molto interessante dei punti quantici GaN/AlN è che appartengono alla famiglia dei semiconduttori a nitruro III, ovvero quella dietro la rivoluzione dell'illuminazione a stato solido (LED blu e bianchi) la cui importanza è stata riconosciuta dal premio Nobel per la fisica nel 2014 ", affermano i ricercatori. "Oggi è la seconda famiglia di semiconduttori in termini di mercato di consumo subito dopo il silicio a dominare l'industria microelettronica. In quanto tali, i nitruri III beneficiano di una piattaforma tecnologica solida e matura, che li rende di alto potenziale interesse per lo sviluppo di applicazioni quantistiche ."
Un importante passo futuro sarà vedere se questa piattaforma può emettere un fotone e solo uno per impulso laser, che è un prerequisito essenziale per determinarne l'efficienza.
"Poiché le nostre eccitazioni elettroniche mostrano una durata della temperatura ambiente di appena 2-3 miliardesimo di secondo, velocità di singoli fotoni di diverse decine di MHz potrebbero essere a portata di mano", affermano gli autori. "Combinata con l'eccitazione laser risonante, che è nota per migliorare significativamente la purezza del singolo fotone, la nostra piattaforma a punti quantici potrebbe essere interessante per l'implementazione della distribuzione della chiave quantistica a temperatura ambiente basata su un vero SPE, al contrario degli attuali sistemi commerciali che funzionano con sorgenti laser attenuate."
La ricerca è stata pubblicata su Light:Science &Applications . + Esplora ulteriormente
