p Os pesquisadores da Graphene Flagship usam materiais em camadas para criar diodos emissores de luz quântica (LED) totalmente elétricos com emissão de fóton único. Esses LEDs têm potencial como fontes de fótons no chip em aplicações de informação quântica. p LEDs atomicamente finos que emitem um fóton por vez foram desenvolvidos por pesquisadores do Graphene Flagship. Construído com camadas de materiais atomicamente finos, incluindo dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), grafeno, e nitreto de boro, os LEDs ultrafinos que mostram a geração totalmente elétrica de fóton único podem ser excelentes fontes de luz quântica no chip para uma ampla gama de aplicações fotônicas para comunicações e redes quânticas. A pesquisa, relatado em Nature Communications , foi liderado pela Universidade de Cambridge, REINO UNIDO.

p Os dispositivos ultrafinos relatados no artigo são construídos de camadas finas de diferentes materiais em camadas, empilhados juntos para formar uma heteroestrutura. A corrente elétrica é injetada no dispositivo, tunelamento de grafeno de camada única, através de poucas camadas de nitreto de boro atuando como uma barreira de túnel, e no material TMD mono- ou bi-camada, como disseleneto de tungstênio (WSe2), onde os elétrons se recombinam com buracos para emitir fótons individuais. Em altas correntes, esta recombinação ocorre em toda a superfície do dispositivo, enquanto em correntes baixas, o comportamento quântico é aparente e a recombinação está concentrada em emissores quânticos altamente localizados.

p A emissão totalmente elétrica de fóton único é uma das principais prioridades da optoeletrônica quântica integrada. Tipicamente, a geração de fóton único depende da excitação óptica e requer configurações ópticas em grande escala com lasers e alinhamento preciso dos componentes ópticos. Esta pesquisa traz a emissão de fóton único no chip para comunicação quântica um passo mais perto. Professor Mete Atatüre (Laboratório Cavendish, Universidade de Cambridge, REINO UNIDO), co-autor da pesquisa, explica "Em última análise, em um circuito escalável, precisamos de dispositivos totalmente integrados que possamos controlar por impulsos elétricos, em vez de um laser que se concentra em diferentes segmentos de um circuito integrado. Para comunicação quântica com fótons individuais, e redes quânticas entre nós diferentes - por exemplo, para acoplar qubits - queremos ser capazes de apenas conduzir a corrente, e apague a luz. Existem muitos emissores que são opticamente excitáveis, mas apenas alguns são movidos eletricamente "Em seus dispositivos, uma corrente modesta de menos de 1 µA garante que o comportamento de um único fóton domine as características de emissão.

p A estrutura em camadas dos TMDs os torna ideais para uso em heteroestruturas ultrafinas para uso em chips, e também adiciona o benefício de uma interface de camada atomicamente precisa. Os emissores quânticos estão altamente localizados na camada TMD e têm espectros de emissão espectralmente nítidos. A natureza em camadas também oferece uma vantagem sobre alguns outros emissores de fóton único para integração viável e eficaz em circuitos nanofotônicos. Professor Frank Koppens (ICFO, Espanha), líder do Pacote de Trabalho 8 - Optoeletrônica e Fotônica, acrescenta "Fontes de fóton único eletricamente acionadas são essenciais para muitas aplicações, e esta primeira realização com materiais em camadas é um verdadeiro marco. Esta plataforma ultrafina e flexível oferece altos níveis de sintonia, liberdade de design, e recursos de integração com plataformas nanoeletrônicas, incluindo CMOS de silício. "

p Esta pesquisa é um exemplo fantástico das possibilidades que podem ser abertas com novas descobertas sobre materiais. Descobriu-se que pontos quânticos existem em TMDs em camadas apenas muito recentemente, com pesquisas publicadas simultaneamente no início de 2015 por vários grupos de pesquisa diferentes, incluindo grupos que trabalham atualmente no Graphene Flagship. O Dr. Marek Potemski e colegas de trabalho do CNRS (França) em colaboração com pesquisadores da Universidade de Varsóvia (Polônia) descobriram emissores quânticos estáveis ​​nas bordas das monocamadas WSe2, exibindo fotoluminescência altamente localizada com características de emissão de fóton único. O professor Kis e colegas que trabalham na ETH Zurich e na EPFL (Suíça) também observaram emissores de fóton único com larguras de linha estreitas em WSe2. Ao mesmo tempo, Professor van der Zant e colegas da Delft University of Technology (Holanda), trabalhando com pesquisadores da Universidade de Münster (Alemanha) observou que os emissores localizados em WSe2 são devido a excitons presos, e sugeriu que eles se originam de defeitos estruturais. Esses emissores quânticos têm o potencial de suplantar a pesquisa das contrapartes de pontos quânticos mais tradicionais por causa de seus inúmeros benefícios dos dispositivos ultrafinos das estruturas em camadas.

p Com esta pesquisa, emissores quânticos agora são vistos em outro material TMD, a saber, dissulfeto de tungstênio (WS2). Professor Atatüre diz "Escolhemos WS2 porque tem maior bandgap, e queríamos ver se diferentes materiais ofereciam diferentes partes do espectro para a emissão de um único fóton. Com isso, mostramos que a emissão quântica não é uma característica única do WSe2, o que sugere que muitos outros materiais em camadas também podem hospedar características semelhantes a pontos quânticos. "

p Professora Andrea Ferrari (Universidade de Cambridge, REINO UNIDO), Presidente do Painel de Gerenciamento da Graphene Flagship, e o Diretor de Ciência e Tecnologia da Flagship, também foi coautor da pesquisa. Ele acrescenta:"Estamos apenas arranhando a superfície das muitas aplicações possíveis de dispositivos preparados pela combinação de grafeno com outros isolantes, semicondutor, materiais supercondutores ou metálicos em camadas. Nesse caso, não apenas demonstramos fontes de fótons controláveis, mas também mostramos que o campo das tecnologias quânticas pode se beneficiar muito com materiais em camadas. Esperamos que isso traga sinergias entre o Graphene Flagship e seus pesquisadores, e o recém-anunciado Quantum Technologies Flagship, deverá começar nos próximos anos. Muitos outros resultados e aplicações emocionantes certamente virão ".