Investigadores de la Universidad de Rochester han demostrado que los defectos en un semiconductor atómicamente delgado pueden producir puntos cuánticos emisores de luz. Los puntos cuánticos sirven como fuente de fotones individuales y podrían ser útiles para la integración de la fotónica cuántica con la electrónica de estado sólido, una combinación conocida como fotónica integrada.

Los científicos se han interesado en dispositivos integrados de estado sólido para usos de procesamiento de información cuántica. Los puntos cuánticos en semiconductores atómicamente delgados no solo podrían proporcionar un marco para explorar la física fundamental de cómo interactúan, pero también habilita aplicaciones nanofotónicas, dicen los investigadores.

Los puntos cuánticos a menudo se denominan átomos artificiales. Son defectos de ingeniería artificial o que ocurren naturalmente en sólidos que se están estudiando para una amplia gama de aplicaciones. Nick Vamivakas, profesor asistente de óptica en la Universidad de Rochester y autor principal del artículo, agrega que atómicamente delgado, Materiales 2D, como el grafeno, también han generado interés entre los científicos que quieren explorar su potencial para la optoelectrónica. Sin embargo, hasta ahora, No se han observado puntos cuánticos ópticamente activos en materiales 2D.

En un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza esta semana, Los investigadores de Rochester muestran cómo el diselenuro de tungsteno (WSe2) se puede convertir en un semiconductor atómicamente delgado que sirve como plataforma para los puntos cuánticos de estado sólido. Quizás lo más importante es que los defectos que crean los puntos no inhiben el rendimiento eléctrico u óptico del semiconductor y pueden controlarse aplicando campos eléctricos y magnéticos.

Vamivakas explica que el brillo de la emisión de puntos cuánticos se puede controlar aplicando voltaje. Agrega que el siguiente paso es usar voltaje para "sintonizar el color" de los fotones emitidos, lo que puede hacer posible la integración de estos puntos cuánticos con dispositivos nanofotónicos.

Una ventaja clave es lo fácil que es crear puntos cuánticos en diselenuro de tungsteno atómicamente delgado en comparación con la producción de puntos cuánticos en materiales más tradicionales como el arseniuro de indio.

"Comenzamos con un cristal negro y luego pelamos capas de él hasta que nos queda un extremo extremadamente delgado, una hoja atómicamente delgada de diselenuro de tungsteno, "dijo Vamivakas.

Los investigadores toman dos de estas láminas atómicamente delgadas y colocan una sobre la otra. En el punto donde se superponen, se crea un punto cuántico. La superposición crea un defecto en la hoja 2D de material semiconductor que de otro modo sería suave. Los semiconductores extremadamente delgados son mucho más fáciles de integrar con otros componentes electrónicos.

Los puntos cuánticos en el diselenuro de tungsteno también poseen un grado cuántico intrínseco de libertad:el espín del electrón. Esta es una propiedad deseable ya que el espín puede actuar tanto como un almacén de información cuántica como también proporcionar una sonda del entorno local de puntos cuánticos.

"Lo que hace que el diselenuro de tungsteno sea extremadamente versátil es que el color de los fotones individuales emitidos por los puntos cuánticos está correlacionado con el giro del punto cuántico, ", dijo el primer autor Chitraleema Chakraborty. Chakraborty agregó que la facilidad con la que los espines y los fotones interactúan entre sí debería hacer que estos sistemas sean ideales para aplicaciones de información cuántica, así como para la metrología a nanoescala.