Reimagining quantum dot single-photon sources:Et gennembrud i monolitiske Fabry-Perot mikrohulrum

Selvsamlede halvlederkvanteprikker (QD'er) repræsenterer en tredimensionel begrænset nanostruktur med diskrete energiniveauer, som ligner atomer. De er i stand til at producere højeffektive og utydelige enkeltfotoner efter behov og er vigtige for at udforske grundlæggende kvantefysik og forskellige anvendelser inden for kvanteinformationsteknologier. Ved at udnytte traditionelle halvlederprocesser tilbyder dette materialesystem også en naturlig integrationskompatibel og skalerbar platform.

For en ideel QD-enkeltfotonkilde er en bredt anvendt tilgang til at opnå fotoner med både høj ekstraktionseffektivitet og umulig at skelne, at indlejre QD'er i Purcell-forstærkede fotoniske hulrum. Den rumlige tilfældige fordeling af QD'er gør det imidlertid udfordrende at deterministisk koble dem med fotoniske strukturer.

I øjeblikket er præcis justering af deres rumlige positioner afhængig af nøjagtige optiske fluorescenspositioneringsteknikker, og en af ​​de optimale strategier til bølgelængdejustering involverer at indføre stresstuning.

De nuværende state-of-the-art QD enkeltfotonkilder er baseret på åbne Fabry-Perot (FP) hulrumsstrukturer eller elliptiske mikrosøjler. Førstnævnte opnår justering af position og bølgelængde ved at finjustere de øverste og nederste spejle, men diskrete strukturer er følsomme over for miljøvibrationer. Sidstnævntes isolerede struktur forhindrer stressoverførsel, hvilket gør effektiv bølgelængdejustering udfordrende.

I øjeblikket er denne struktur stadig afhængig af temperaturjustering inden for et lille område, hvilket reducerer enhedens udbytte betydeligt. At opnå effektiv integration af spændingsjustering i en mikrokavitetsstruktur, samtidig med at man sikrer præcis justering af rumlig position og bølgelængde, er fortsat en formidabel udfordring.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Light:Science &Applications , samarbejdet mellem Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu fra Sun Yat-sen University og Yan Chen fra National University of Defense Technology løse disse udfordringer ved innovativt at kombinere FP-mikrohulrum med en piezoelektrisk aktuator og udvikle en monolitisk bølgelængdejusterbar mikrohulrumsstruktur . Denne innovative tilgang eliminerer behovet for ætsning af halvledermaterialer, forhindrer overfladefejl og letter effektiv spændingsledning.

Som vist i fig. 1a er det designede FP-mikrohulrum i dette arbejde integreret på et piezoelektrisk substrat. Da QD'er er placeret i den tynde film, kan stress effektivt overføres. Denne struktur kræver ikke ætsning af halvledermaterialer, hvilket effektivt undgår påvirkningen af ​​sidevægsdefekter på QD-emission.

I FP-mikrokavitetsstrukturen afbildet i fig. 1b er den vertikale indeslutning af det optiske felt dannet af øvre og nedre Bragg-reflektorer, mens den laterale indeslutning af det optiske felt er skabt af en parabolsk SiO₂ defekt. Den simulerede effektivitet af enkeltfotonkilden kan nå 0,95 med en Purcell-faktor på 40 (fig. 1c). Derudover har den fundamentale tilstand en Gaussisk-lignende fjernfeltsfordeling, hvilket letter koblingen til optiske fibre.

I den eksperimentelle implementering blev højpræcision bredfelts optisk positioneringsteknologi brugt til at placere QD'er i midten af ​​FP-mikrohulrummene (fig. 2b). Efterfølgende blev tyndfilmsmikrohulrummet, der indeholdt en enkelt QD, integreret på et PMN-PT (100)-substrat ved hjælp af mikrotransfer-printteknologi (fig. 2a).

Et afstemningsområde på 1,3 nm blev opnået gennem spændingsscanning (fig. 2c), som er det største bølgelængdeindstillingsområde, der er rapporteret for alle mikrohulrumsstrukturer til dato. En bemærkelsesværdig 50-fold forbedring af lysstyrken opnås, når QD'en bringes med mikrohulrummets fundamentale tilstand, en 50-fold forbedring af lysstyrken opnås (fig. 2d).

Ydermere, når QD'en er koblet med den H-polariserede tilstand (fig. 3a), registreres en maksimal APD-tællehastighed på 2,88 Mcps under pulsresonansfluorescens (fig. 3b), med en ekstraheret polariseret enkeltfotonekstraktionseffektivitet på 0,58 og en hurtig levetid på 100 ps.

Sammenlignet med QD'er i plane strukturer repræsenterer dette en tidoblet reduktion i levetid (fig. 3c). Hanbury Brown og Twiss-korrelationsmålingen udtrækker en enkelt-foton-renhed på 0,956 (fig. 3d), hvilket indikerer en lav multi-foton-sandsynlighed. To-foton-interferenseksperimenter understreger en imponerende foton-uforskellighed på 0,922 (fig. 3e).

Sammenfattende har forskerne udviklet en monolitisk FP-mikrohulrumsstruktur med fordelen af ​​optimal udnyttelse af Purcell-effekten, et kompakt fodaftryk og integrationsmuligheder. Ved deterministisk indlejring af en enkelt QD i mikrohulrummet opnås højtydende enkeltfotonkilder med samtidig høj ekstraktionseffektivitet, høj renhed og høj udskillelighed.

Med hensyn til fremtidig udvikling kan ladningsstabilisering eller spin-injektion ved hjælp af elektriske gated-enheder implementeres direkte i strukturen for at realisere støjsvag enkelt-fotonemission eller spin-foton-sammenfiltring/en lineær klyngetilstand.

Derudover kan strain tuning også anvendes til at slette den spektrale inhomogenitet mellem forskellige QD'er og adressering af FSS. Disse aspekter er afgørende i realiseringen af ​​højtydende kilde til sammenfiltrede fotonpar.

Det mest spændende er, at kavitetsordningens enkelhed og alsidighed åbner muligheder for at etablere et nyt fremstillingsparadigme for kvantelyskilder, hvor flere typer faste kvantelyskilder (herunder halvleder QD'er, defekter osv.) med forskellige emittermaterialer og driftsbølgelængder kunne være co-fremstillet på den samme PMN-PT platform. Dette potentielle gennembrud kan i væsentlig grad fremme skalerbare kvantefotoniske teknologier i fremtiden.

Flere oplysninger: Jiawei Yang et al., Afstembare kvanteprikker i monolitiske Fabry-Perot-mikrohulrum til højtydende enkeltfotonkilder, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01384-7

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread