III-V halvleder fotoniske integrerede kredsløb går kvante

Kvantemittere er nøglen til en række teknologier, herunder lysdioder, lasere og, i særdeleshed, fotonisk kvantekommunikation og beregningsprotokoller. Indtil nu, forskere har henvendt sig til diamant og siliciumcarbid (SiC) for at udvikle enkelte fotonkilder på grund af deres brede båndgab og fremragende optiske egenskaber. Imidlertid, manglerne ved disse halvledere fremhæves ved forsøg på at manipulere og lede denne form for kvanteemission på en integreret måde for at skabe skalerbare systemer.

Nu Tsung-Ju Lu og Benjamin Lienhard, og et team af forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og City University of New York i USA, ledet af MIT's Dirk Englund, har produceret kvanteemittere i en III-V halvleder, aluminiumnitrid (AlN). AIN er allerede veletableret inden for optoelektronik og højspændingselektronikindustrien. Ved at mønstre AlN med de indlejrede kvanteemittere, de var i stand til at integrere emitterne direkte i et fotonisk kredsløb.

Få kvanteemission

Lu beskriver kvanteemittere som lyskilder, der udsender enkelte fotoner. "De kan potentielt have elektron -spin -tilstande, der kan danne en kvantebit, eller qubit, hvor de enkelte lyspartikler udsendt af kvanteemitteren bærer qubits oplysninger, "fortæller han til Phys.org. Det er ved at dirigere qubits oplysninger ved hjælp af fotoniske integrerede kredsløb, at der opstår problemer med kvanteemittere produceret i diamant eller SiC, fordi forskere ikke kan dyrke disse materialer som tynde film på et substrat med lavt brydningsindeks, som er nødvendig for den totale interne refleksion i fotoniske bølgeledere.

En lovende vej udenom dette er at kombinere disse materialer med andre materialer, der allerede er veletablerede som fotoniske integrerede kredsløbsplatforme for at omdirigere de producerede fotoner, men dette introducerer potentielle ineffektiviteter ved forbindelse mellem forskellige materialer. Lu og hans kolleger havde allerede udviklet en AlN-on-safir fotonikplatform med det formål at kommunikere med velstuderede kvanteemittere i andre materialer som diamant.

"Da AlN har et af de bredeste båndgab blandt alle halvledermaterialer, det var naturligt for os at undersøge, om AlN selv kan være vært for kvanteemittere, der let kan integreres og tilsluttes vores AlN-on-safir fotonikplatform, " han siger.

Opvarmet til perfektion

Forskerne startede med wafers sammensat af tæt pakket sekskantede nanokolonner af AlN dyrket oven på safir og producerede kvantemittere i materialet ved at bombardere det med heliumioner ved hjælp af et heliumionmikroskop til at producere ledige baserede defekter, hvor et atom i krystalgitteret mangler. Defektcentrene har en elektronisk energiniveaustruktur, der ligner atomer. Som sådan, defektcentret kan stimuleres til den ophidsede tilstand ved at skinne en laser på det, og en enkelt foton udsendes, når den falder tilbage til grundtilstanden. Denne enkelt fotonemission har en "anti-bundtende" egenskab-fordi kvanteemitteren kun udsender en foton ad gangen, der går en begrænset periode mellem fotonemissioner.

Halvledere kræver typisk høj krystallinitet for at være vært for stabile kvanteemittere. Fangsten er, at når AlN -film vokser på noget andet materiale, for eksempel, safir som i det nuværende arbejde, det skal være ret tykt for at etablere høj krystallinitet. Som resultat, da forskerne studerede deres tynde film behandlet med heliumioner efterfulgt af glødning ved 700 grader C for at danne kvanteemittere, deres fotoluminescensmålinger blev oversvømmet med baggrundsstøj, skjuler tilstedeværelsen af ​​kvanteemittere. Heldigvis, de fandt ud af, at behandling ved høj temperatur ved en endnu højere temperatur på 1000 grader C kunne forbedre krystalliniteten i en tilstrækkelig grad til at løse enkelt fotonemittere.

Forskerne målte og karakteriserede kvanteemitterne i prøver, der blev glødet ved 1000 grader C, som viste sig at have en høj emissionstællingshastighed og samtidig opretholde enestående renhed af enkeltfoton, alt under drift ved stuetemperatur. Desuden, ved at mønstre prøven med elementer såsom distribuerede Bragg -reflektorer, spektrale filtre, bjælkesplittere og kant- eller gitterkoblinger, de kunne direkte integrere kvanteemitterne i fotoniske kredsløb, viser potentialet for at skabe kvanteemittere af høj kvalitet monolitisk integreret i en lang række AlN-baserede enheder.

Efter at have etableret de fremragende optiske egenskaber ved AlN -kvantemitterne, forskerne har derefter til hensigt at lokalisere deres nøjagtige oprindelse for at få et indblik i, om de har spin -tilstande, der optisk kan kontrolleres til at fungere som qubits.

© 2020 Science X Network