Reimaginando fontes de fóton único de pontos quânticos:um avanço nas microcavidades monolíticas de Fabry-Perot
Fig. 1. a, Ilustração conceitual da fonte de fóton único sintonizável por deformação. b, Estrutura da microcavidade FP integrada e distribuição de campo elétrico do modo fundamental. c, projeto de simulação 3D-FDTD. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7 Os pontos quânticos semicondutores automontados (QDs) representam uma nanoestrutura tridimensional confinada com níveis de energia discretos, que são semelhantes aos átomos. Eles são capazes de produzir fótons únicos altamente eficientes e indistinguíveis sob demanda e são importantes para explorar a física quântica fundamental e várias aplicações em tecnologias de informação quântica. Aproveitando os processos tradicionais de semicondutores, este sistema de materiais também oferece uma plataforma escalável e compatível com integração natural.
Para uma fonte de fóton único QD ideal, uma abordagem amplamente adotada para obter fótons com alta eficiência de extração e indistinguibilidade é incorporar QDs em cavidades fotônicas aprimoradas por Purcell. No entanto, a distribuição espacialmente aleatória de QDs torna difícil acoplá-los deterministicamente a estruturas fotônicas.
Atualmente, o alinhamento preciso de suas posições espaciais depende de técnicas precisas de posicionamento de fluorescência óptica, e uma das estratégias ideais para alinhamento de comprimento de onda envolve a introdução de ajuste de tensão.
As atuais fontes de fóton único QD de última geração são baseadas em estruturas de cavidades abertas de Fabry-Perot (FP) ou micropilares elípticos. O primeiro alcança o alinhamento de posição e comprimento de onda ajustando com precisão os espelhos superior e inferior, mas estruturas discretas são sensíveis às vibrações ambientais. A estrutura isolada deste último dificulta a transferência de tensão, tornando um desafio o ajuste eficaz do comprimento de onda.
Atualmente, esta estrutura ainda depende de ajuste de temperatura dentro de uma pequena faixa, reduzindo significativamente o rendimento do dispositivo. Alcançar a integração eficaz do ajuste de tensão em uma estrutura de microcavidades, garantindo ao mesmo tempo o alinhamento preciso da posição espacial e do comprimento de onda, continua sendo um desafio formidável.
Em um estudo recente publicado em Light:Science &Applications , os esforços colaborativos de Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu da Universidade Sun Yat-sen e Yan Chen da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa abordaram esses desafios combinando de forma inovadora microcavidades FP com um atuador piezoelétrico, desenvolvendo uma estrutura de microcavidade monolítica ajustável por comprimento de onda . Esta abordagem inovadora elimina a necessidade de gravação de materiais semicondutores, evitando defeitos superficiais e facilitando a condução eficaz de tensões.
Como mostrado na Fig. 1a, a microcavidade FP projetada neste trabalho está integrada em um substrato piezoelétrico. Como os QDs estão localizados no filme fino, o estresse pode ser transmitido de forma eficaz. Esta estrutura não requer gravação de materiais semicondutores, evitando efetivamente a influência de defeitos nas paredes laterais na emissão de QD.
Na estrutura de microcavidades FP representada na Fig. 1b, o confinamento vertical do campo óptico é formado por refletores de Bragg superior e inferior, enquanto o confinamento lateral do campo óptico é criado por um SiO parabólico2 defeito. A eficiência simulada da fonte de fóton único pode chegar a 0,95, com fator Purcell de 40 (Fig. 1c). Além disso, o modo fundamental possui uma distribuição de campo distante semelhante a Gauss, facilitando o acoplamento em fibras ópticas.
Fig. 2. a, Microcavidade de filme fino FP monolítico integrada a um substrato piezoelétrico sob um microscópio óptico. b, Imagem de fluorescência do QD acoplado à microcavidade. c, varredura de emissão QD no modo microcavidade. d, Aumento do brilho quando o QD é acoplado ao modo fundamental da cavidade. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7
Na implementação experimental, a tecnologia de posicionamento óptico de campo amplo de alta precisão foi usada para colocar QDs no centro das microcavidades FP (Fig. 2b). Posteriormente, a microcavidade de película fina contendo um único QD foi integrada em um substrato PMN-PT (100) usando tecnologia de impressão por microtransferência (Fig. 2a).
Uma faixa de sintonia de 1,3 nm foi alcançada através da varredura de voltagem (Fig. 2c), que é a maior faixa de sintonia de comprimento de onda relatada para todas as estruturas de microcavidades até o momento. Um notável aumento de 50 vezes no brilho é obtido quando o QD é trazido com o modo fundamental de microcavidade, um aumento de 50 vezes no brilho é alcançado (Fig. 2d).
Fig. 3. a, Acoplamento do QD com o modo H-polarizado. b, oscilações de Rabi sob excitação de ressonância pulsada ressonante. c, Medição da vida útil. d, Pureza de fóton único. e, indistinguibilidade de um único fóton. Crédito:Light:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7
Além disso, quando o QD acoplado ao modo polarizado H (Fig. 3a), uma taxa de contagem de pico de APD de 2, 88 Mcps é registrada sob fluorescência de ressonância de pulso (Fig. 3b), com uma eficiência de extração de fóton único polarizada extraída de 0, 58 e uma vida útil rápida de 100 ps.
Comparado aos QDs em estruturas planares, isso representa uma redução de dez vezes na vida útil (Fig. 3c). A medição de correlação de Hanbury Brown e Twiss extrai uma pureza de fóton único de 0,956 (Fig. 3d), significando uma baixa probabilidade de múltiplos fótons. Experimentos de interferência de dois fótons ressaltam uma impressionante indistinguibilidade de fótons de 0,922 (Fig. 3e).
Em resumo, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura monolítica de microcavidades FP com a vantagem de uma exploração ideal do efeito Purcell, uma área compacta e capacidades de integração. Pela incorporação determinística de um único QD na microcavidade, são alcançadas fontes de fótons únicos de alto desempenho com alta eficiência de extração simultânea, alta pureza e alta indistinguibilidade.
Em relação a desenvolvimentos futuros, a estabilização de carga ou injeção de spin usando dispositivos elétricos fechados pode ser implementada diretamente na estrutura para realizar emissão de fóton único de baixo ruído ou emaranhamento spin-fóton/um estado de cluster linear.
Além disso, o ajuste de deformação também pode ser empregado para apagar a falta de homogeneidade espectral entre diferentes QDs e abordar o FSS. Esses aspectos são fundamentais na realização de fontes de alto desempenho de pares de fótons emaranhados.
O mais intrigante é que a simplicidade e a versatilidade do esquema de cavidades abrem caminhos para o estabelecimento de um novo paradigma de fabricação para fontes de luz quântica, em que vários tipos de fontes de luz quântica sólidas (incluindo QDs semicondutores, defeitos, etc.) com diferentes materiais emissores e comprimentos de onda operacionais poderiam ser co-fabricados na mesma plataforma PMN-PT. Este avanço potencial poderia avançar significativamente as tecnologias fotônicas quânticas escaláveis no futuro.
