Los investigadores del Graphene Flagship utilizan materiales en capas para crear diodos emisores de luz (LED) cuánticos totalmente eléctricos con emisión de fotón único. Estos LED tienen potencial como fuentes de fotones en chip en aplicaciones de información cuántica.

Los investigadores del Graphene Flagship han desarrollado LED atómicamente delgados que emiten un fotón a la vez. Construido con capas de materiales atómicamente delgados, incluyendo dicalcogenuros de metales de transición (TMD), grafeno y nitruro de boro, Los LED ultradelgados que muestran una generación de fotones únicos totalmente eléctricos podrían ser excelentes fuentes de luz cuántica en el chip para una amplia gama de aplicaciones fotónicas para redes y comunicaciones cuánticas. La investigación, reportado en Comunicaciones de la naturaleza , fue dirigido por la Universidad de Cambridge, REINO UNIDO.

Los dispositivos ultrafinos informados en el documento están construidos con capas delgadas de diferentes materiales en capas, apilados juntos para formar una heteroestructura. Se inyecta corriente eléctrica en el dispositivo, tunelización de grafeno de una sola capa, a través de nitruro de boro de pocas capas que actúa como barrera de túnel, y en el material TMD mono o bicapa, como diselenuro de tungsteno (WSe2), donde los electrones se recombinan con huecos para emitir fotones individuales. A altas corrientes, esta recombinación ocurre en toda la superficie del dispositivo, mientras que en corrientes bajas, el comportamiento cuántico es evidente y la recombinación se concentra en emisores cuánticos muy localizados.

La emisión de fotones individuales totalmente eléctrica es una prioridad clave para la optoelectrónica cuántica integrada. Típicamente, La generación de un solo fotón se basa en la excitación óptica y requiere configuraciones ópticas a gran escala con láseres y una alineación precisa de los componentes ópticos. Esta investigación acerca la emisión de un solo fotón en el chip para la comunicación cuántica. Profesor Mete Atatüre (Laboratorio Cavendish, Universidad de Cambridge, REINO UNIDO), coautor de la investigación, explica "En última instancia, en un circuito escalable, necesitamos dispositivos totalmente integrados que podamos controlar mediante impulsos eléctricos, en lugar de un láser que se enfoca en diferentes segmentos de un circuito integrado. Para la comunicación cuántica con fotones individuales, y redes cuánticas entre diferentes nodos, por ejemplo, para acoplar qubits:queremos poder impulsar la corriente, y apaga la luz. Hay muchos emisores que son ópticamente excitables, pero solo un puñado son accionados eléctricamente "En sus dispositivos, una corriente modesta de menos de 1 µA asegura que el comportamiento de un solo fotón domina las características de emisión.

La estructura en capas de los TMD los hace ideales para usar en heteroestructuras ultradelgadas para usar en chips, y también agrega el beneficio de una interfaz de capa atómicamente precisa. Los emisores cuánticos están muy localizados en la capa TMD y tienen espectros de emisión espectralmente nítidos. La naturaleza en capas también ofrece una ventaja sobre algunos otros emisores de fotón único para una integración factible y efectiva en circuitos nanofotónicos. Profesor Frank Koppens (ICFO, España), líder del paquete de trabajo 8 - Optoelectrónica y fotónica, añade "Las fuentes de fotón único impulsadas eléctricamente son esenciales para muchas aplicaciones, y esta primera realización con materiales estratificados es un verdadero hito. Esta plataforma ultradelgada y flexible ofrece altos niveles de sintonía, libertad de diseño, y capacidades de integración con plataformas nanoelectrónicas, incluido el CMOS de silicio ".

Esta investigación es un ejemplo fantástico de las posibilidades que se pueden abrir con nuevos descubrimientos sobre materiales. Se descubrió que los puntos cuánticos existen en TMD en capas solo muy recientemente, con investigaciones publicadas simultáneamente a principios de 2015 por varios grupos de investigación diferentes, incluidos grupos que trabajan actualmente en Graphene Flagship. El Dr. Marek Potemski y sus compañeros de trabajo en CNRS (Francia) en colaboración con investigadores de la Universidad de Varsovia (Polonia) descubrieron emisores cuánticos estables en los bordes de las monocapas WSe2. mostrando fotoluminiscencia altamente localizada con características de emisión de fotón único. El profesor Kis y sus colegas que trabajan en ETH Zurich y EPFL (Suiza) también observaron emisores de fotones únicos con anchos de línea estrechos en WSe2. Al mismo tiempo, El profesor van der Zant y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), trabajando con investigadores de la Universidad de Münster (Alemania) observó que los emisores localizados en WSe2 se deben a excitones atrapados, y sugirió que se originan a partir de defectos estructurales. Estos emisores cuánticos tienen el potencial de suplantar la investigación sobre las contrapartes de puntos cuánticos más tradicionales debido a sus numerosos beneficios de los dispositivos ultrafinos de las estructuras en capas.

Con esta investigación, Los emisores cuánticos ahora se ven en otro material TMD, a saber, disulfuro de tungsteno (WS2). El profesor Atatüre dice:"Elegimos WS2 porque tiene un intervalo de banda más alto, y queríamos ver si los diferentes materiales ofrecían diferentes partes del espectro para la emisión de un solo fotón. Con este, Hemos demostrado que la emisión cuántica no es una característica única de WSe2, lo que sugiere que muchos otros materiales en capas también podrían albergar características similares a puntos cuánticos ".

Profesor Andrea Ferrari (Universidad de Cambridge, REINO UNIDO), Presidente del Panel de Gestión de Graphene Flagship, y el oficial de ciencia y tecnología del buque insignia, también fue coautor de la investigación. Agrega "Estamos apenas rascando la superficie de las muchas aplicaciones posibles de los dispositivos preparados combinando grafeno con otros aislantes, semiconductor, materiales superconductores o en capas metálicas. En este caso, no solo hemos demostrado fuentes de fotones controlables, pero también hemos demostrado que el campo de las tecnologías cuánticas puede beneficiarse enormemente de los materiales en capas. Esperamos que esto traiga sinergias entre Graphene Flagship y sus investigadores, y el buque insignia de Quantum Technologies, recientemente anunciado, que comenzará en los próximos años. Seguramente seguirán muchos más resultados y aplicaciones interesantes ".