Per una sorgente QD a fotone singolo ideale, un approccio ampiamente adottato per ottenere fotoni con elevata efficienza di estrazione e indistinguibilità è l'incorporamento di QD in cavità fotoniche potenziate da Purcell. Tuttavia, la distribuzione spazialmente casuale dei QD rende difficile accoppiarli in modo deterministico con le strutture fotoniche.

Attualmente, l'allineamento preciso delle loro posizioni spaziali si basa su accurate tecniche di posizionamento della fluorescenza ottica e una delle strategie ottimali per l'allineamento della lunghezza d'onda prevede l'introduzione della regolazione dello stress.

Le attuali sorgenti QD a fotone singolo all'avanguardia si basano su strutture di cavità Fabry-Perot (FP) aperte o micropilastri ellittici. Il primo raggiunge l'allineamento della posizione e della lunghezza d'onda sintonizzando con precisione gli specchi superiore e inferiore, ma le strutture discrete sono sensibili alle vibrazioni ambientali. La struttura isolata di quest'ultimo ostacola il trasferimento dello stress, rendendo difficile un'efficace sintonizzazione della lunghezza d'onda.

Attualmente, questa struttura si basa ancora sulla regolazione della temperatura entro un intervallo ristretto, riducendo significativamente la resa del dispositivo. Raggiungere un'efficace integrazione della regolazione dello stress in una struttura a microcavità, garantendo al contempo un preciso allineamento della posizione spaziale e della lunghezza d'onda, rimane una sfida formidabile.

In un recente studio pubblicato su Light:Science &Applications , gli sforzi di collaborazione di Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu dell'Università Sun Yat-sen e Yan Chen dell'Università Nazionale di Tecnologia della Difesa hanno affrontato queste sfide combinando in modo innovativo le microcavità FP con un attuatore piezoelettrico, sviluppando una struttura monolitica di microcavità sintonizzabile in lunghezza d'onda . Questo approccio innovativo elimina la necessità di incidere i materiali semiconduttori, prevenendo difetti superficiali e facilitando un'efficace conduzione dello stress.

Come mostrato in Fig. 1a, la microcavità FP progettata in questo lavoro è integrata su un substrato piezoelettrico. Poiché i QD si trovano nel film sottile, lo stress può essere trasmesso in modo efficace. Questa struttura non richiede l'incisione dei materiali semiconduttori, evitando efficacemente l'influenza dei difetti delle pareti laterali sull'emissione QD.

Nella struttura a microcavità FP rappresentata in Fig. 1b, il confinamento verticale del campo ottico è formato da riflettori di Bragg superiori e inferiori, mentre il confinamento laterale del campo ottico è creato da un riflettore parabolico di SiO₂ difetto. L'efficienza simulata della sorgente a fotone singolo può raggiungere 0,95, con un fattore Purcell di 40 (Fig. 1c). Inoltre, la modalità fondamentale ha una distribuzione del campo lontano di tipo gaussiano, facilitando l'accoppiamento nelle fibre ottiche.

Nell'implementazione sperimentale, è stata utilizzata la tecnologia di posizionamento ottico ad ampio campo ad alta precisione per posizionare i QD al centro delle microcavità FP (Fig. 2b). Successivamente, la microcavità a film sottile contenente un singolo QD è stata integrata su un substrato PMN-PT (100) utilizzando la tecnologia di stampa a micro-trasferimento (Fig. 2a).

Un intervallo di sintonizzazione di 1,3 nm è stato ottenuto attraverso la scansione della tensione (Fig. 2c), che è l'intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda più ampio riportato fino ad oggi per tutte le strutture di microcavità. Si ottiene un notevole miglioramento della luminosità di 50 volte quando si porta il QD con la modalità fondamentale della microcavità, si ottiene un miglioramento della luminosità di 50 volte (Fig. 2d).

Inoltre, quando il QD è accoppiato con la modalità polarizzata H (Fig. 3a), una velocità di conteggio APD di picco di 2,88 Mcps viene registrata sotto fluorescenza a risonanza di impulsi (Fig. 3b), con un'efficienza di estrazione di singolo fotone polarizzato estratto di 0,58 e una rapida durata di 100 ps.

Rispetto ai QD nelle strutture planari, ciò rappresenta una riduzione di dieci volte della durata (Fig. 3c). La misurazione della correlazione Hanbury Brown e Twiss estrae una purezza del singolo fotone di 0,956 (Fig. 3d), a significare una bassa probabilità multi-fotone. Gli esperimenti di interferenza a due fotoni sottolineano un'impressionante indistinguibilità dei fotoni di 0,922 (Fig. 3e).

In sintesi, i ricercatori hanno sviluppato una struttura monolitica di microcavità FP con il vantaggio di uno sfruttamento ottimale dell'effetto Purcell, di un ingombro compatto e di capacità di integrazione. Mediante l'incorporamento deterministico di un singolo QD nella microcavità, si ottengono sorgenti di fotoni singoli ad alte prestazioni con elevata efficienza di estrazione simultanea, elevata purezza ed elevata indistinguibilità.

Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, la stabilizzazione della carica o l'iniezione di spin utilizzando dispositivi elettrici con controllo può essere implementata direttamente nella struttura per realizzare un'emissione di fotone singolo a basso rumore o un entanglement di spin-fotone/uno stato di cluster lineare.

Inoltre, la regolazione della deformazione può essere impiegata anche per cancellare la disomogeneità spettrale tra diversi QD e indirizzare l'FSS. Questi aspetti sono cruciali nella realizzazione di sorgenti ad alte prestazioni di coppie di fotoni entangled.

La cosa più interessante è che la semplicità e la versatilità dello schema di cavità aprono strade per stabilire un nuovo paradigma di produzione per le sorgenti di luce quantistica, in cui più tipi di sorgenti di luce quantistica solida (inclusi QD di semiconduttori, difetti, ecc.) con diversi materiali di emissione e lunghezze d'onda operative potrebbe essere coprodotto sulla stessa piattaforma PMN-PT. Questa potenziale svolta potrebbe far avanzare in modo significativo le tecnologie fotoniche quantistiche scalabili in futuro.

Ulteriori informazioni: Jiawei Yang et al, Punti quantici sintonizzabili in microcavità monolitiche Fabry-Perot per sorgenti a fotone singolo ad alte prestazioni, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7

Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni

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