Los puntos cuánticos semiconductores (QD) en estado sólido emergen como candidatos prometedores debido a su estructura de dos energías similar a un átomo y su compatibilidad con los procesos contemporáneos de fabricación de semiconductores para la integración de microcavidades. Sin embargo, los desafíos surgen del desorden estructural o de defectos introducidos durante el proceso de fabricación, lo que afecta negativamente el rendimiento.

En este contexto, la óptica topológica emerge como una solución prometedora debido a su robustez topológica intrínseca. El estado de esquina topológico de orden superior, que ofrece un volumen de modo más pequeño, produce un factor de Purcell o división de Rabi en vacío más alto, incluso con un factor Q modesto.

Sin embargo, persisten los desafíos al acoplar QD individuales a cavidades topológicas altamente confinadas, principalmente debido a la distribución espacial aleatoria de los QD durante su proceso de crecimiento. Los intentos anteriores enfrentaron dificultades para lograr una mejora significativa de las interacciones entre la luz y la materia.

En una publicación reciente en Light:Science &Applications , el equipo de investigación dirigido por el profesor Ying Yu y el profesor Jianwen Dong de la Universidad Sun Yat-sen demuestra el acoplamiento determinista inicial de un único QD a un estado de esquina topológico. Este logro aprovecha la robustez topológica para modificar la estructura, empleando una técnica de imágenes de fotoluminiscencia (PL) de campo amplio. Mediante resonancia, observan un notable factor de Purcell de 3,7 y una emisión monofotónica polarizada.

La estructura se diseña basándose en el estado de esquina 0D, una característica de un cristal fotónico topológico de segundo orden (PhC) de tipo losa. La topología de banda del PhC surge de la polarización dipolar del borde cuantificado, marcada por una fase Zak 2D.

La estructura PhC adopta una definición distintiva de celda unitaria con una red cuadrada, representada por las regiones roja y azul en la Fig. 1a. En consecuencia, las fases de Zak correspondientes a cada región difieren. La combinación de estos distintos PhC, como se muestra en la Fig. 1a, da lugar a un estado de esquina, una convergencia de los dos conjuntos de polarización de la interfaz 1D, como se muestra en la Fig. 1b.

Sin embargo, en esta cavidad, el QD único se coloca muy cerca de la superficie grabada en seco, lo que puede provocar difusión espectral o parpadeo debido al acoplamiento con estados de superficie y trampas de carga. Para abordar este problema, el diseño se ajusta eliminando el orificio de ventilación central, como se ilustra en la Fig. 1c.

Como el estado de la esquina está inherentemente garantizado por la propiedad topológica de la polarización dipolar del borde, no se ve afectado por perturbaciones débiles, como el orificio de ventilación eliminado. La figura 1d ilustra el perfil del estado de la esquina con el orificio central reinstalado. Después de restablecer el orificio central, el estado de la esquina permanece casi intacto, presentando un factor Q más alto, un volumen de modo modesto y una distancia mayor (~100 nm) entre el QD y la superficie grabada.

Experimentalmente, la cavidad topológica se fabrica de manera determinista alrededor del QD objetivo utilizando una técnica de imágenes PL de campo amplio. Higos. 2a-b muestran las imágenes PL del dispositivo antes y después de la fabricación de la cavidad, lo que revela claramente el QD (punto brillante) único objetivo en el centro del estado de la esquina creado.

Al ajustar la temperatura, el QD objetivo se ajusta a través de la resonancia del estado de la esquina, como se ilustra en la Fig. 2c. Se demuestra un factor de Purcell de aproximadamente 3,7 cuando el QD resuena con el estado de la esquina, como se muestra en la figura 2d. Se realiza una medición de correlación de Hanbury Brown y Twiss para evaluar la pureza de un solo fotón, lo que indica una baja probabilidad de multifotón de g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

En resumen, los investigadores demuestran el acoplamiento determinista inicial de un único QD con un estado de esquina, aprovechando la robustez topológica y técnicas de posicionamiento precisas. Mediante el ajuste de temperatura, logran un factor de Purcell en resonancia de 3,7.

El dispositivo también exhibe una emisión polarizada de fotón único con una pureza de fotón único g(2)(0) tan baja como 0,024 ± 0,103. Este avance amplía el potencial de las fases topológicas de orden superior para aplicaciones avanzadas en la manipulación de interacciones luz-materia a nivel cuántico.