Los emisores cuánticos son clave para una variedad de tecnologías que incluyen LED, láseres y, en particular, protocolos de computación y comunicación cuántica fotónica. Hasta aquí, Los científicos han recurrido al diamante y al carburo de silicio (SiC) para desarrollar fuentes de fotones individuales debido a su amplia banda prohibida y sus excelentes propiedades ópticas. Sin embargo, Las deficiencias de estos semiconductores se destacan por los intentos de manipular y encaminar este tipo de emisión cuántica de forma integrada para crear sistemas escalables.

Ahora Tsung-Ju Lu y Benjamin Lienhard, y un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y la Universidad de la Ciudad de Nueva York en los EE. UU., dirigido por Dirk Englund del MIT, han producido emisores cuánticos en un semiconductor III-V, nitruro de aluminio (AlN). AIN ya está bien establecida en la industria de la electrónica de alta tensión y la optoelectrónica. Al modelar el AlN con los emisores cuánticos incrustados, pudieron integrar los emisores directamente en un circuito fotónico.

Obteniendo emisión cuántica

Lu describe los emisores cuánticos como fuentes de luz que emiten fotones individuales. "Potencialmente pueden tener estados de espín de electrones que pueden formar un bit cuántico, o qubit, en el que las partículas individuales de luz emitidas por el emisor cuántico llevan la información del qubit, ", le dice a Phys.org. Es al enrutar la información del qubit utilizando circuitos integrados fotónicos que surgen problemas con los emisores cuánticos producidos en diamantes o SiC, debido a que los investigadores no pueden cultivar estos materiales como películas delgadas en un sustrato de índice de refracción bajo, que se necesita para la reflexión interna total en guías de ondas fotónicas.

Una forma prometedora de evitar esto es combinar estos materiales con otros materiales ya bien establecidos como plataformas de circuitos integrados fotónicos para redirigir los fotones producidos. pero esto introduce ineficiencias potenciales al conectar diferentes materiales. Lu y sus colegas ya habían desarrollado una plataforma fotónica de AlN sobre zafiro con el propósito de interactuar con emisores cuánticos bien estudiados en otros materiales como el diamante.

"Dado que AlN tiene uno de los huecos de banda más amplios entre todos los materiales semiconductores, Para nosotros era natural explorar si la propia AlN puede albergar emisores cuánticos que puedan integrarse y conectarse fácilmente a nuestra plataforma fotónica de AlN sobre zafiro, " él dice.

Calentado a la perfección

Los investigadores comenzaron con obleas compuestas de nanocolumnas hexagonales densamente empaquetadas de AlN que crecieron sobre zafiro y produjeron emisores cuánticos en el material bombardeándolo con iones de helio utilizando un microscopio de iones de helio para producir defectos basados ​​en vacantes en los que un átomo de la red cristalina Está perdido. Los centros de defectos tienen una estructura de niveles de energía electrónica similar a la de los átomos. Como tal, el centro del defecto se puede estimular al estado excitado al iluminarlo con un láser, y se emite un solo fotón cuando regresa al estado fundamental. Esta emisión de fotón único tiene una característica de "anti-agrupamiento", porque el emisor cuántico emite solo un fotón a la vez, transcurre un período de tiempo finito entre las emisiones de fotones.

Los semiconductores normalmente requieren una alta cristalinidad para albergar emisores cuánticos estables. El problema es que cuando las películas de AlN crecen en algún otro material, por ejemplo, zafiro como en la obra actual, debe ser bastante espeso para establecer una alta cristalinidad. Como resultado, cuando los investigadores estudiaron sus películas delgadas tratadas con iones de helio seguido de recocido a 700 grados C para formar emisores cuánticos, sus mediciones de fotoluminiscencia estaban inundadas de ruido de fondo, ocultando la presencia de emisores cuánticos. Afortunadamente, encontraron que el tratamiento a alta temperatura a una temperatura aún más alta de 1000 grados C podría mejorar la cristalinidad en un grado suficiente para resolver los emisores de fotones individuales.

Los investigadores midieron y caracterizaron los emisores cuánticos en muestras recocidas a 1000 grados C, que demostraron tener una alta tasa de recuento de emisiones al tiempo que mantienen una pureza excepcional de fotón único, todo mientras funciona a temperatura ambiente. Es más, modelando la muestra con elementos tales como reflectores Bragg distribuidos, filtros espectrales, divisores de haz y acopladores de borde o rejilla, podrían integrar directamente los emisores cuánticos en circuitos fotónicos, mostrando el potencial para crear emisores cuánticos de alta calidad integrados monolíticamente en una amplia gama de dispositivos basados ​​en AlN.

Habiendo establecido las excelentes propiedades ópticas de los emisores cuánticos de AlN, A continuación, los investigadores tienen la intención de identificar su origen exacto para obtener una idea de si tienen estados de espín que puedan controlarse ópticamente para que actúen como qubits.

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