I ricercatori della Graphene Flagship utilizzano materiali stratificati per creare diodi a emissione di luce (LED) quantistici completamente elettrici con emissione di un singolo fotone. Questi LED hanno un potenziale come sorgenti di fotoni su chip nelle applicazioni di informazione quantistica.

LED atomicamente sottili che emettono un fotone alla volta sono stati sviluppati dai ricercatori della Graphene Flagship. Costruito con strati di materiali atomicamente sottili, compresi i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), grafene, e nitruro di boro, i LED ultrasottili che mostrano la generazione completamente elettrica di singoli fotoni potrebbero essere eccellenti sorgenti di luce quantistica su chip per un'ampia gamma di applicazioni fotoniche per comunicazioni e reti quantistiche. La ricerca, segnalato in Comunicazioni sulla natura , è stato condotto dall'Università di Cambridge, UK.

I dispositivi ultrasottili riportati nel documento sono costruiti con strati sottili di diversi materiali a strati, impilati insieme per formare un'eterostruttura. La corrente elettrica viene iniettata nel dispositivo, tunneling da grafene monostrato, attraverso il nitruro di boro a pochi strati che funge da barriera del tunnel, e nel materiale TMD mono o bistrato, come il diseleniuro di tungsteno (WSe2), dove gli elettroni si ricombinano con le lacune per emettere singoli fotoni. Ad alte correnti, questa ricombinazione avviene su tutta la superficie del dispositivo, mentre a basse correnti, il comportamento quantistico è apparente e la ricombinazione è concentrata in emettitori quantistici altamente localizzati.

L'emissione completamente elettrica di un singolo fotone è una priorità chiave per l'optoelettronica quantistica integrata. Tipicamente, la generazione di un singolo fotone si basa sull'eccitazione ottica e richiede allestimenti ottici su larga scala con laser e un preciso allineamento dei componenti ottici. Questa ricerca avvicina l'emissione di singoli fotoni su chip per la comunicazione quantistica. Professor Mete Atatüre (Laboratorio Cavendish, Università di Cambridge, UK), coautore della ricerca, spiega "In definitiva, in un circuito scalabile, abbiamo bisogno di dispositivi completamente integrati che possiamo controllare tramite impulsi elettrici, invece di un laser che si concentra su diversi segmenti di un circuito integrato. Per la comunicazione quantistica con singoli fotoni, e reti quantistiche tra diversi nodi, ad esempio per accoppiare qubit - vogliamo essere in grado di guidare solo la corrente, e fai uscire la luce. Ci sono molti emettitori che sono otticamente eccitabili, ma solo una manciata è azionata elettricamente" Nei loro dispositivi, una modesta corrente inferiore a 1 µA assicura che il comportamento del singolo fotone domini le caratteristiche di emissione.

La struttura a strati dei TMD li rende ideali per l'uso in eterostrutture ultrasottili per l'uso su chip, e aggiunge anche il vantaggio di un'interfaccia a strati atomicamente precisa. Gli emettitori quantistici sono altamente localizzati nello strato TMD e hanno spettri di emissione spettralmente nitidi. La natura a strati offre anche un vantaggio rispetto ad altri emettitori a singolo fotone per un'integrazione fattibile ed efficace nei circuiti nanofotonici. Il professor Frank Koppens (ICFO, Spagna), leader del Work Package 8 – Optoelettronica e Fotonica, aggiunge "Le sorgenti a singolo fotone azionate elettricamente sono essenziali per molte applicazioni, e questa prima realizzazione con materiali stratificati è una vera pietra miliare. Questa piattaforma ultrasottile e flessibile offre alti livelli di sintonizzabilità, libertà di progettazione, e capacità di integrazione con piattaforme nanoelettroniche, tra cui CMOS al silicio."

Questa ricerca è un fantastico esempio delle possibilità che si possono aprire con nuove scoperte sui materiali. Solo di recente è stata scoperta l'esistenza di punti quantici nei TMD stratificati, con la ricerca pubblicata simultaneamente all'inizio del 2015 da diversi gruppi di ricerca, inclusi i gruppi che attualmente lavorano all'interno del Graphene Flagship. Il dott. Marek Potemski e i colleghi che lavorano al CNRS (Francia) in collaborazione con i ricercatori dell'Università di Varsavia (Polonia) hanno scoperto emettitori quantistici stabili ai bordi dei monostrati WSe2, mostrano fotoluminescenza altamente localizzata con caratteristiche di emissione di singoli fotoni. Il professor Kis e i colleghi che lavorano all'ETH di Zurigo e all'EPFL (Svizzera) hanno anche osservato emettitori di fotoni singoli con larghezze di riga strette in WSe2. Allo stesso tempo, Il professor van der Zant e colleghi della Delft University of Technology (Paesi Bassi), lavorando con i ricercatori dell'Università di Münster (Germania) ha osservato che gli emettitori localizzati in WSe2 sono dovuti a eccitoni intrappolati, e ha suggerito che provengano da difetti strutturali. Questi emettitori quantistici hanno il potenziale per soppiantare la ricerca sulle controparti dei punti quantici più tradizionali a causa dei loro numerosi vantaggi dei dispositivi ultrasottili delle strutture a strati.

Con questa ricerca, gli emettitori quantistici sono ora visti in un altro materiale TMD, vale a dire disolfuro di tungsteno (WS2). Il professor Atatüre afferma:"Abbiamo scelto WS2 perché ha una banda proibita più elevata, e volevamo vedere se materiali diversi offrissero parti diverse degli spettri per l'emissione di singoli fotoni. Con questo, abbiamo dimostrato che l'emissione quantistica non è una caratteristica unica di WSe2, il che suggerisce che molti altri materiali stratificati potrebbero essere in grado di ospitare anche caratteristiche simili a punti quantici".

Professor Andrea Ferrari (Università di Cambridge, UK), Presidente del gruppo di gestione dell'ammiraglia del grafene, e l'ufficiale per la scienza e la tecnologia dell'ammiraglia, anche co-autore della ricerca. Aggiunge "Stiamo solo grattando la superficie delle molte possibili applicazioni di dispositivi preparati combinando il grafene con altri isolanti, semiconduttori, materiali superconduttori o a strati metallici. In questo caso, non solo abbiamo dimostrato sorgenti di fotoni controllabili, ma abbiamo anche dimostrato che il campo delle tecnologie quantistiche può trarre grandi benefici dai materiali stratificati. Speriamo che questo porti sinergie tra l'ammiraglia del grafene e i suoi ricercatori, e la nave ammiraglia Quantum Technologies recentemente annunciata, dovuto iniziare nei prossimi anni. Seguiranno sicuramente molti altri risultati e applicazioni entusiasmanti".