Los puntos cuánticos semiconductores (QD) autoensamblados representan una nanoestructura tridimensional confinada con niveles de energía discretos, que son similares a los átomos. Son capaces de producir fotones individuales altamente eficientes e indistinguibles bajo demanda y son importantes para explorar la física cuántica fundamental y diversas aplicaciones en tecnologías de la información cuántica. Aprovechando los procesos tradicionales de semiconductores, este sistema de materiales también ofrece una plataforma escalable y compatible con la integración natural.
Para obtener una fuente de fotón único QD ideal, un enfoque ampliamente adoptado para lograr fotones con alta eficiencia de extracción e indistinguibilidad es incorporar QD en cavidades fotónicas mejoradas con Purcell. Sin embargo, la distribución espacial aleatoria de los QD hace que sea difícil acoplarlos de manera determinista con estructuras fotónicas.
Actualmente, la alineación precisa de sus posiciones espaciales depende de técnicas precisas de posicionamiento de fluorescencia óptica, y una de las estrategias óptimas para la alineación de longitudes de onda implica la introducción de ajuste de tensión.
Las fuentes de fotón único QD de última generación se basan en estructuras de cavidades abiertas de Fabry-Perot (FP) o micropilares elípticos. El primero logra la alineación de la posición y la longitud de onda ajustando con precisión los espejos superior e inferior, pero las estructuras discretas son sensibles a las vibraciones ambientales. La estructura aislada de este último dificulta la transferencia de tensión, lo que dificulta la sintonización eficaz de la longitud de onda.
Actualmente, esta estructura todavía depende del ajuste de temperatura dentro de un rango pequeño, lo que reduce significativamente el rendimiento del dispositivo. Lograr una integración efectiva del ajuste de tensión en una estructura de microcavidades, al mismo tiempo que se garantiza una alineación precisa de la posición espacial y la longitud de onda, sigue siendo un desafío formidable.
En un estudio reciente publicado en Light:Science &Applications , los esfuerzos de colaboración de Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu de la Universidad Sun Yat-sen y Yan Chen de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa abordaron estos desafíos combinando de manera innovadora microcavidades FP con un actuador piezoeléctrico, desarrollando una estructura de microcavidades monolíticas sintonizables en longitud de onda. . Este enfoque innovador elimina la necesidad de grabar materiales semiconductores, evitando defectos en la superficie y facilitando una conducción eficaz de la tensión.
Como se muestra en la Fig. 1a, la microcavidad FP diseñada en este trabajo está integrada en un sustrato piezoeléctrico. Como los QD están ubicados en la película delgada, la tensión se puede transmitir de manera efectiva. Esta estructura no requiere grabado de materiales semiconductores, lo que evita eficazmente la influencia de los defectos de las paredes laterales en la emisión de QD.
En la estructura de microcavidades FP representada en la Fig. 1b, el confinamiento vertical del campo óptico está formado por reflectores de Bragg superiores e inferiores, mientras que el confinamiento lateral del campo óptico está creado por un SiO2 parabólico. defecto. La eficiencia simulada de la fuente de fotón único puede alcanzar 0,95, con un factor de Purcell de 40 (Fig. 1c). Además, el modo fundamental tiene una distribución de campo lejano similar a Gauss, lo que facilita el acoplamiento en fibras ópticas.
En la implementación experimental, se utilizó tecnología de posicionamiento óptico de campo amplio de alta precisión para colocar QD en el centro de las microcavidades de FP (Fig. 2b). Posteriormente, la microcavidad de película delgada que contenía un único QD se integró en un sustrato PMN-PT (100) utilizando tecnología de impresión por microtransferencia (Fig. 2a).
Se logró un rango de sintonización de 1,3 nm mediante escaneo de voltaje (Fig. 2c), que es el rango de sintonización de longitud de onda más grande informado para todas las estructuras de microcavidades hasta la fecha. Se obtiene una mejora notable del brillo de 50 veces cuando se coloca el QD en el modo fundamental de microcavidad; se logra una mejora del brillo de 50 veces (Fig. 2d).
Además, cuando el QD se acopla con el modo polarizado H (Fig. 3a), se registra una tasa máxima de recuento de APD de 2,88 Mcps bajo fluorescencia de resonancia de pulso (Fig. 3b), con una eficiencia de extracción de fotón único polarizado extraído de 0,58 y una vida útil rápida de 100 ps.
En comparación con los QD en estructuras planas, esto representa una reducción diez veces mayor en la vida útil (Fig. 3c). La medición de correlación de Hanbury Brown y Twiss extrae una pureza de fotón único de 0,956 (Fig. 3d), lo que significa una baja probabilidad de fotones múltiples. Los experimentos de interferencia de dos fotones subrayan una impresionante indistinguibilidad de fotones de 0,922 (Fig. 3e).
En resumen, los investigadores han desarrollado una estructura monolítica de microcavidades FP con la ventaja de una explotación óptima del efecto Purcell, un tamaño compacto y capacidades de integración. Mediante la incorporación determinista de un solo QD en la microcavidad, se logran fuentes de fotón único de alto rendimiento con alta eficiencia de extracción, alta pureza y alta indistinguibilidad simultáneas.
En cuanto a desarrollos futuros, la estabilización de carga o la inyección de espín utilizando dispositivos eléctricos controlados se pueden implementar directamente en la estructura para lograr una emisión de fotón único de bajo ruido o un entrelazamiento de fotones de espín/un estado de grupo lineal.
Además, también se puede emplear el ajuste de tensión para borrar la falta de homogeneidad espectral entre diferentes QD y abordar el FSS. Estos aspectos son fundamentales en la realización de una fuente de alto rendimiento de pares de fotones entrelazados.
Lo más intrigante es que la simplicidad y versatilidad del esquema de cavidades abren caminos para establecer un nuevo paradigma de fabricación de fuentes de luz cuánticas, en el que se pueden utilizar múltiples tipos de fuentes de luz cuánticas sólidas (incluidos QD de semiconductores, defectos, etc.) con diferentes materiales emisores y longitudes de onda operativas. podría cofabricarse en la misma plataforma PMN-PT. Este posible avance podría hacer avanzar significativamente las tecnologías fotónicas cuánticas escalables en el futuro.
Más información: Jiawei Yang et al, Puntos cuánticos sintonizables en microcavidades monolíticas de Fabry-Perot para fuentes de fotón único de alto rendimiento, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
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