Emissores quânticos são essenciais para uma gama de tecnologias, incluindo LEDs, lasers e, em particular, comunicação quântica fotônica e protocolos de computação. Até aqui, os cientistas se voltaram para o diamante e o carboneto de silício (SiC) para desenvolver fontes de fóton único por causa de sua ampla lacuna de banda e excelentes propriedades ópticas. Contudo, as deficiências desses semicondutores são destacadas por tentativas de manipular e rotear esse tipo de emissão quântica de forma integrada para criar sistemas escaláveis.

Agora Tsung-Ju Lu e Benjamin Lienhard, e uma equipe de pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e da City University of New York nos EUA, liderado por Dirk Englund do MIT, produziram emissores quânticos em um semicondutor III-V, nitreto de alumínio (AlN). A AIN já está bem estabelecida na indústria de optoeletrônica e eletrônica de alta tensão. Padronizando o AlN com os emissores quânticos embutidos, eles foram capazes de integrar os emissores diretamente em um circuito fotônico.

Obtendo emissão quântica

Lu descreve os emissores quânticos como fontes de luz que emitem fótons individuais. "Eles podem ter estados de spin de elétrons que podem formar um bit quântico, ou qubit, em que as partículas individuais de luz emitida pelo emissor quântico carregam as informações do qubit, ", diz ele ao Phys.org. É no roteamento das informações do qubit usando circuitos integrados fotônicos que surgem problemas com emissores quânticos produzidos em diamante ou SiC, porque os pesquisadores não podem cultivar esses materiais como filmes finos em um substrato de baixo índice de refração, que é necessário para a reflexão interna total em guias de ondas fotônicas.

Uma maneira promissora de contornar isso é combinar esses materiais com outros materiais já bem estabelecidos como plataformas de circuitos integrados fotônicos para redirecionar os fótons produzidos, mas isso introduz ineficiências potenciais ao conectar entre diferentes materiais. Lu e seus colegas já haviam desenvolvido uma plataforma fotônica de AlN sobre safira com o objetivo de fazer a interface com emissores quânticos bem estudados em outros materiais, como o diamante.

"Como o AlN tem uma das maiores distâncias de banda entre todos os materiais semicondutores, foi natural para nós explorarmos se o próprio AlN pode ou não hospedar emissores quânticos que podem ser prontamente integrados e conectados à nossa plataforma fotônica de AlN sobre safira, " ele diz.

Aquecido com perfeição

Os pesquisadores começaram com bolachas compostas por nanocolunas hexagonais densamente compactadas de AlN crescidas em cima de safira e produziram emissores quânticos no material bombardeando-o com íons de hélio usando um microscópio de íon de hélio para produzir defeitos baseados em vacância em que um átomo na estrutura cristalina está desaparecido. Os centros defeituosos têm uma estrutura de nível de energia eletrônica semelhante à dos átomos. Como tal, o centro do defeito pode ser estimulado ao estado de excitação ao apontar um laser sobre ele, e um único fóton é emitido quando ele decai de volta ao estado fundamental. Esta emissão de fóton único tem uma característica de "anti-agrupamento" - porque o emissor quântico emite apenas um fóton por vez, um período finito de tempo passa entre as emissões de fótons.

Semicondutores normalmente requerem alta cristalinidade para hospedar emissores quânticos estáveis. O problema é que quando os filmes AlN crescem em algum outro material, por exemplo, safira como no trabalho atual, ele precisa ser bastante espesso para estabelecer alta cristalinidade. Como resultado, quando os pesquisadores estudaram seus filmes finos tratados com íons de hélio seguido de recozimento a 700 graus C para formar emissores quânticos, suas medições de fotoluminescência foram inundadas com ruído de fundo, escondendo a presença de emissores quânticos. Felizmente, eles descobriram que o tratamento de alta temperatura em uma temperatura ainda mais alta de 1000 graus C poderia melhorar a cristalinidade a um grau suficiente para resolver emissores de fóton único.

Os pesquisadores mediram e caracterizaram os emissores quânticos em amostras recozidas a 1000 graus C, que demonstrou ter uma alta taxa de contagem de emissão, mantendo uma pureza de fóton único excepcional, tudo enquanto opera em temperatura ambiente. Além disso, padronizando a amostra com elementos como refletores Bragg distribuídos, filtros espectrais, divisores de feixe e acopladores de borda ou grade, eles poderiam integrar diretamente os emissores quânticos em circuitos fotônicos, mostrando o potencial para a criação de emissores quânticos de alta qualidade integrados monoliticamente em uma ampla gama de dispositivos baseados em AlN.

Tendo estabelecido as excelentes propriedades ópticas dos emissores quânticos de AlN, os pesquisadores pretendem identificar sua origem exata para obter uma visão sobre se eles têm estados de spin que podem ser controlados opticamente para atuar como qubits.

© 2020 Science X Network