Os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de cavidade óptica intensificadora de luz com apenas 200 nanômetros de altura e 100 nanômetros de largura. Seu novo sistema em nanoescala representa um passo em direção a fontes mais brilhantes de um único fóton, que poderia ajudar a impulsionar a criptografia baseada em quantum e uma rede verdadeiramente segura e preparada para o futuro.

Técnicas de criptografia quântica, que são vistos como provavelmente centrais para métodos de criptografia de dados futuros, use fótons individuais como uma forma extremamente segura de codificar dados. Uma limitação dessas técnicas tem sido a capacidade de emitir fótons em altas taxas. "Uma das figuras de mérito mais importantes para fontes de fóton único é o brilho - ou fótons coletados por segundo - porque quanto mais brilhante ele é, quanto mais dados você pode transmitir com segurança com criptografia quântica, "disse Yussuf Kelaita, Nanoscale and Quantum Photonics Lab, Universidade de Stanford, Califórnia.

No jornal Optical Materials Express , Kelaita e seus colegas mostram que sua nova nanocavidade aumentou significativamente o brilho de emissão de pontos quânticos - partículas semicondutoras em escala nanométrica que podem emitir fótons únicos.

Os pesquisadores criaram a nova nanocavidade usando prata altamente reflexiva para revestir as laterais de um pilar semicondutor em nanoescala sobre um substrato. A prata faz a luz ricochetear dentro do nanopilar, transformando-o em uma cavidade óptica muito pequena. Os pesquisadores dizem que o mesmo conceito de design pode ser usado para construir nanocavidades a partir de outros materiais que são adaptados para diferentes emissores de fóton único.

Captura de luz em um espaço pequeno

Em escalas nanométricas, a luz interage com os materiais de maneiras únicas. Um exemplo é o efeito Purcell, que aumenta a eficiência de emissão de um ponto quântico ou outro emissor de luz confinado em uma pequena cavidade. Os sistemas que mostram o aprimoramento de Purcell vão emitir mais fótons em um determinado período de tempo, que poderia permitir sistemas de criptografia quântica que operam mais rápido do que é possível agora.

Alcançar o aprimoramento de Purcell se beneficia de cavidades extremamente pequenas porque a energia é transferida entre o emissor de luz e a cavidade mais rapidamente. Também é desejável ter um fator de qualidade suficientemente alto, o que significa que a reflexão da cavidade permite que a luz salte por um longo tempo.

"Demonstramos um novo tipo de cavidade com um volume de várias ordens de magnitude menor do que o atual estado da arte em sistemas de estado sólido, "disse Kelaita." O sistema produz forte aprimoramento de Purcell e alta eficiência de coleta de luz ao mesmo tempo, o que leva a um aumento geral no brilho da fonte de fóton único. "

Quando os pesquisadores testaram as novas nanocavidades, eles descobriram que os pontos quânticos colocados dentro das nanocavidades emitiam mais fótons por segundo do que os pontos quânticos não localizados dentro de tal cavidade.

Como as nanocavidades estão abertas no topo, a luz emitida pode viajar diretamente para o ar. Nanocavidades semelhantes criadas anteriormente eram cobertas com um revestimento de metal indesejável para coletar fótons emitidos. O perfil de emissão das novas nanocavidades também combina bem com lentes objetivas de microscópio padrão, permitindo que uma alta porcentagem da luz entre na lente. Uma incompatibilidade entre o perfil de emissão e as lentes objetivas do microscópio causou perda de luz problemática em sistemas de nanocavidade desenvolvidos anteriormente.

Fazendo a pequena cavidade

A equipe usou uma técnica de fabricação modificada para superar o desafio de revestir os nanopilares com metal. Nanoestruturas que são altas e magras tendem a experimentar o que é chamado de efeitos de sombreamento, porque as técnicas de nanofabricação usam um processo no qual o metal cai direto no dispositivo, como a neve.

"Se você imaginar neve caindo em uma árvore, a neve se agarrará a si mesma e se acumulará em um galho de forma a formar uma largura maior, ou monte, do que a própria filial, "disse Kelaita." Isso também acontece quando o metal é depositado no topo de algo como um pilar. Como o metal se agarra a si mesmo, ele cria um monte maior do que o pilar embaixo dele, evitando que o metal caia sob as partes que eclipsam o pilar. No fim, esse efeito de sombra cria uma lacuna de ar no dispositivo. "

Para resolver este problema, os pesquisadores giraram e inclinaram simultaneamente a amostra para revestir todos os lados do pilar de uma vez. Mesmo com essa nova abordagem, eles tinham que ter cuidado com o ângulo em que depositavam o metal para evitar a formação de uma conexão entre o metal que reveste as laterais do pilar e o metal no topo. Se uma conexão foi formada, a etapa final de remover ultrassonicamente a tampa de metal na parte superior seria difícil ou impossível.

"Outros grupos que trabalham com metal deveriam se interessar por essa técnica porque esse efeito de sombreamento ocorre até mesmo para recursos que estão completamente encapsulados em metal, "disse Kelaita.

Nanocavidades ainda melhores

Os pesquisadores agora estão trabalhando para criar outros tipos de nanocavidades com características ainda melhores. Por exemplo, eles querem tentar fazer nanocavidades em diamante, que poderia permitir fontes de fóton único que operam em temperatura ambiente, um requisito fundamental para incorporar criptografia quântica em dispositivos de consumo.

Eles também querem combinar o conhecimento obtido com este novo trabalho com um algoritmo de design inverso que desenvolveram recentemente para projetar automaticamente dispositivos fotônicos integrados em chips de silício. Com o algoritmo, os engenheiros especificam uma função desejada e o software fornece instruções para fazer uma estrutura que execute essa função.