Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de cavidad óptica que mejora la luz que tiene solo 200 nanómetros de alto y 100 nanómetros de ancho. Su nuevo sistema a nanoescala representa un paso hacia fuentes de fotón único más brillantes, lo que podría ayudar a impulsar el cifrado cuántico y una red verdaderamente segura y preparada para el futuro.

Técnicas de cifrado cuántico, que probablemente sean fundamentales para los futuros métodos de cifrado de datos, utilice fotones individuales como una forma extremadamente segura de codificar datos. Una limitación de estas técnicas ha sido la capacidad de emitir fotones a altas velocidades. "Una de las cifras de mérito más importantes para las fuentes de fotón único es el brillo, o fotones recolectados por segundo, porque cuanto más brillante es, Cuantos más datos pueda transmitir de forma segura con cifrado cuántico, "dijo Yousif Kelaita, Laboratorio de fotónica cuántica y nanoescala, Universidad Stanford, California.

En el diario Materiales ópticos Express , Kelaita y sus colegas muestran que su nueva nanocavidad aumentó significativamente el brillo de emisión de los puntos cuánticos, partículas semiconductoras de escala nanométrica que pueden emitir fotones individuales.

Los investigadores crearon la nueva nanocavidad mediante el uso de plata altamente reflectante para revestir los lados de un pilar semiconductor a nanoescala asentado sobre un sustrato. La plata hace que la luz rebote dentro del nanopilar, convirtiéndolo en una cavidad óptica muy pequeña. Los investigadores dicen que el mismo concepto de diseño podría usarse para construir nanocavidades a partir de otros materiales que se adapten a diferentes emisores de fotones individuales.

Atrapando la luz en un espacio pequeño

A escalas nanométricas, la luz interactúa con los materiales de formas únicas. Un ejemplo es el efecto Purcell, que mejora la eficiencia de emisión de un punto cuántico u otro emisor de luz confinado en una pequeña cavidad. Los sistemas que muestran la mejora de Purcell emitirán más fotones durante un período de tiempo determinado, lo que podría permitir sistemas de cifrado cuántico que funcionen más rápido de lo que es posible ahora.

Lograr la mejora de Purcell se beneficia de cavidades extremadamente pequeñas porque la energía se transfiere entre el emisor de luz y la cavidad más rápidamente. También es deseable tener un factor de calidad suficientemente alto, lo que significa que el reflejo de la cavidad permite que la luz rebote durante mucho tiempo.

"Demostramos un nuevo tipo de cavidad con un volumen varios órdenes de magnitud inferior al estado actual de la técnica en sistemas de estado sólido, ", dijo Kelaita." El sistema produce una fuerte mejora de Purcell y una alta eficiencia de recolección de luz al mismo tiempo, lo que conduce a un aumento general del brillo de la fuente de fotón único ".

Cuando los investigadores probaron las nuevas nanocavidades, encontraron que los puntos cuánticos colocados dentro de las nanocavidades emitían más fotones por segundo que los puntos cuánticos no ubicados dentro de dicha cavidad.

Debido a que las nanocavidades están abiertas en la parte superior, la luz emitida puede viajar directamente al aire. Las nanocavidades similares creadas anteriormente se cubrieron con un recubrimiento metálico que no era deseable para recolectar los fotones emitidos. El perfil de emisión de las nuevas nanocavidades también se adapta bien a las lentes de objetivo de microscopio estándar, permitiendo que un alto porcentaje de luz entre en la lente. Un desajuste entre el perfil de emisión y las lentes del objetivo del microscopio ha causado una pérdida de luz problemática en los sistemas de nanocavidades desarrollados anteriormente.

Haciendo la pequeña cavidad

El equipo utilizó una técnica de fabricación modificada para superar el desafío de recubrir los nanopilares con metal. Las nanoestructuras que son altas y delgadas tienden a experimentar lo que se llama efectos de sombra porque las técnicas de nanofabricación utilizan un proceso en el que el metal cae directamente sobre el dispositivo como la nieve.

"Si imaginas la nieve cayendo sobre un árbol, la nieve se adherirá a sí misma y se amontonará en una rama de manera que forme un ancho mayor, o montículo, que la propia rama, ", dijo Kelaita." Esto también sucede cuando el metal se deposita sobre algo como un pilar. Mientras el metal se adhiere a sí mismo, crea un montículo más grande que el pilar debajo de él, evitando que el metal caiga debajo de las partes que eclipsan el pilar. En el final, este efecto de sombra crea un espacio de aire en el dispositivo ".

Para resolver este problema, los investigadores giraron e inclinaron simultáneamente la muestra para cubrir todos los lados del pilar a la vez. Incluso con este nuevo enfoque, tenían que tener cuidado con el ángulo en el que depositaban el metal para evitar formar una conexión entre el metal que recubre los lados del pilar y el metal en la parte superior. Si se formó una conexión, el paso final de retirar ultrasónicamente la tapa de metal en la parte superior sería difícil o imposible.

"Otros grupos que trabajan con metal deberían estar interesados ​​en esta técnica porque este efecto de sombreado ocurre incluso para características que están completamente encapsuladas en metal, "dijo Kelaita.

Incluso mejores nanocavidades

Los investigadores ahora están trabajando para crear otros tipos de nanocavidades con características aún mejores. Por ejemplo, quieren intentar hacer nanocavidades en diamantes, lo que podría permitir fuentes de fotón único que operan a temperatura ambiente, un requisito clave para incorporar el cifrado cuántico en los dispositivos de consumo.

También quieren combinar el conocimiento obtenido de este nuevo trabajo con un algoritmo de diseño inverso que desarrollaron recientemente para diseñar automáticamente dispositivos fotónicos integrados en chips de silicio. Con el algoritmo, los ingenieros especifican una función deseada y el software proporciona instrucciones para hacer una estructura que realice esa función.