I ricercatori dell'Università di Rochester hanno dimostrato che i difetti su un semiconduttore atomicamente sottile possono produrre punti quantici che emettono luce. I punti quantici servono come fonte di singoli fotoni e potrebbero essere utili per l'integrazione della fotonica quantistica con l'elettronica a stato solido, una combinazione nota come fotonica integrata.
Gli scienziati si sono interessati ai dispositivi a stato solido integrati per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. I punti quantici nei semiconduttori atomicamente sottili potrebbero non solo fornire un quadro per esplorare la fisica fondamentale di come interagiscono, ma anche abilitare applicazioni nanofotoniche, dicono i ricercatori.
I punti quantici sono spesso indicati come atomi artificiali. Sono difetti artificiali o naturali nei solidi che vengono studiati per un'ampia gamma di applicazioni. Nick Vamivakas, assistente professore di ottica presso l'Università di Rochester e autore senior della carta, aggiunge che atomicamente sottile, materiali 2D, come il grafene, hanno anche generato interesse tra gli scienziati che vogliono esplorare il loro potenziale per l'optoelettronica. Però, fino ad ora, punti quantici otticamente attivi non sono stati osservati nei materiali 2D.
In un articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura questa settimana, i ricercatori di Rochester mostrano come il diseleniuro di tungsteno (WSe2) può essere modellato in un semiconduttore atomicamente sottile che funge da piattaforma per punti quantici allo stato solido. Forse la cosa più importante è che i difetti che creano i punti non inibiscono le prestazioni elettriche o ottiche del semiconduttore e possono essere controllati applicando campi elettrici e magnetici.
Vamivakas spiega che la luminosità dell'emissione del punto quantico può essere controllata applicando la tensione. Aggiunge che il prossimo passo è usare la tensione per "sintonizzare il colore" dei fotoni emessi, che può consentire di integrare questi punti quantici con dispositivi nanofotonici.
Un vantaggio chiave è quanto sia più facile creare punti quantici in diseleniuro di tungsteno atomicamente sottile rispetto alla produzione di punti quantici in materiali più tradizionali come l'arseniuro di indio.
"Iniziamo con un cristallo nero e poi ne rimuoviamo gli strati finché non ne rimane uno estremamente sottile, un foglio atomicamente sottile di diseleniuro di tungsteno, ", ha detto Vamivaka.
I ricercatori prendono due di questi fogli atomicamente sottili e li mettono uno sopra l'altro. Nel punto in cui si sovrappongono, viene creato un punto quantico. La sovrapposizione crea un difetto nel foglio 2D altrimenti liscio di materiale semiconduttore. I semiconduttori estremamente sottili sono molto più facili da integrare con altri dispositivi elettronici.
I punti quantici nel diseleniuro di tungsteno possiedono anche un grado di libertà quantistico intrinseco:lo spin dell'elettrone. Questa è una proprietà desiderabile in quanto lo spin può sia fungere da archivio di informazioni quantistiche sia fornire una sonda dell'ambiente di punti quantici locale.
"Ciò che rende il diseleniuro di tungsteno estremamente versatile è che il colore dei singoli fotoni emessi dai punti quantici è correlato allo spin del punto quantico, " ha affermato il primo autore Chitraleema Chakraborty. Chakraborty ha aggiunto che la facilità con cui gli spin e i fotoni interagiscono tra loro dovrebbe rendere questi sistemi ideali per applicazioni di informazione quantistica e metrologia su nanoscala.
