I punti quantici (QD) dei semiconduttori allo stato solido emergono come candidati promettenti grazie alla loro struttura a due energie simile ad un atomo e alla compatibilità con i processi contemporanei di fabbricazione di semiconduttori per l'integrazione delle microcavità. Tuttavia, i problemi derivano da disordini strutturali o difetti introdotti durante il processo di fabbricazione, che incidono negativamente sulle prestazioni.

In questo contesto, l’ottica topologica emerge come una soluzione promettente grazie alla sua intrinseca robustezza topologica. Lo stato angolare topologico di ordine superiore, che offre un volume modale più piccolo, produce un fattore Purcell o una suddivisione Rabi del vuoto più elevati, anche con un fattore Q modesto.

Tuttavia, persistono sfide nell'accoppiare singoli QD a cavità topologiche altamente confinate, principalmente a causa della distribuzione spaziale casuale dei QD durante il loro processo di crescita. I tentativi precedenti hanno incontrato difficoltà nel raggiungere un miglioramento significativo delle interazioni luce-materia.

In una recente pubblicazione su Light:Science &Applications , il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Ying Yu e dal Prof. Jianwen Dong dell'Università Sun Yat-sen dimostra l'accoppiamento deterministico iniziale di un singolo QD con uno stato d'angolo topologico. Questo risultato sfrutta la robustezza topologica per modificare la struttura, impiegando una tecnica di imaging con fotoluminescenza (PL) ad ampio campo. Attraverso la risonanza, osservano un notevole fattore di Purcell di 3,7 e un'emissione polarizzata di un singolo fotone.

La struttura è concepita sulla base dello stato d'angolo 0D, una caratteristica di un cristallo fotonico topologico di secondo ordine di tipo lastra (PhC). La topologia della banda del PhC deriva dalla polarizzazione dipolare del bordo quantizzato, contrassegnata da una fase Zak 2D.

La struttura PhC adotta una definizione distintiva di cella unitaria con un reticolo quadrato, rappresentato dalle regioni rossa e blu in Fig. 1a. Di conseguenza, le fasi Zak corrispondenti a ciascuna regione differiscono. La combinazione di questi PhC distinti, come mostrato in Fig. 1a, dà origine a uno stato d'angolo, una convergenza dei due insiemi di polarizzazione dell'interfaccia 1D, come illustrato in Fig. 1b.

Tuttavia, in questa cavità, il singolo QD è posizionato in prossimità della superficie incisa a secco, il che può portare alla diffusione spettrale o al lampeggiamento a causa dell'accoppiamento con stati superficiali e trappole di carica. Per affrontare questo problema, il design viene modificato eliminando lo sfiato centrale, come illustrato nella Fig. 1c.

Poiché lo stato d'angolo è intrinsecamente garantito dalla proprietà topologica della polarizzazione dipolare del bordo, rimane inalterato da perturbazioni deboli, come lo sfiato rimosso. La Fig. 1d illustra il profilo dello stato d'angolo con il foro centrale ripristinato. Dopo aver ripristinato il foro centrale, lo stato angolare rimane quasi intatto, caratterizzato da un fattore Q più elevato, un volume modale modesto e una distanza maggiore (~ 100 nm) tra il QD e la superficie incisa.

Sperimentalmente, la cavità topologica viene fabbricata in modo deterministico attorno al QD target utilizzando una tecnica di imaging PL ad ampio campo. Fichi. 2a–b mostrano le immagini PL del dispositivo prima e dopo la fabbricazione della cavità, rivelando chiaramente il singolo QD (punto luminoso) mirato al centro dello stato d'angolo creato.

Regolando la temperatura, il QD target viene regolato con precisione attraverso la risonanza dello stato d'angolo, come illustrato in Fig. 2c. Un fattore Purcell di circa 3,7 è dimostrato quando il QD risuona con lo stato d'angolo, come mostrato in Fig. 2d. Viene condotta una misurazione di correlazione Hanbury Brown e Twiss per valutare la purezza del singolo fotone, indicando una bassa probabilità multi-fotone di g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

In sintesi, i ricercatori dimostrano l’accoppiamento deterministico iniziale di un singolo QD con uno stato d’angolo, sfruttando la robustezza topologica e tecniche di posizionamento precise. Attraverso la regolazione della temperatura, raggiungono un fattore Purcell di risonanza di 3,7.

Il dispositivo presenta inoltre un'emissione polarizzata di fotone singolo con una purezza di singolo fotone g(2)(0) pari a 0,024 ± 0,103. Questa svolta espande il potenziale delle fasi topologiche di ordine superiore per applicazioni avanzate nella manipolazione delle interazioni luce-materia a livello quantistico.

Ulteriori informazioni: Mujie Rao et al, Emettitore di fotone singolo accoppiato deterministicamente a uno stato d'angolo topologico, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01377-6

Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni

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