Enkelt foton lysemitterende dioder til on-chip integration

Forskere fra Graphene Flagship bruger lagdelte materialer til at skabe en helelektrisk kvantelysemitterende diode (LED) med enkelt-fotonemission. Disse lysdioder har potentiale som on-chip fotonkilder i kvanteinformationsapplikationer.

Atomisk tynde lysdioder, der udsender en foton ad gangen, er udviklet af forskere fra Graphene Flagship. Konstrueret af lag af atomtynde materialer, herunder overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er), grafen, og bornitrid, de ultratynde lysdioder, der viser helelektrisk enkeltfotogenerering, kunne være fremragende on-chip kvantelyskilder til en lang række fotoniske applikationer til kvantekommunikation og netværk. Forskningen, rapporteret i Naturkommunikation , blev ledet af University of Cambridge, Storbritannien.

De ultratynde enheder rapporteret i papiret er konstrueret af tynde lag af forskellige lagdelte materialer, stablet sammen for at danne en heterostruktur. Elektrisk strøm injiceres i enheden, tunneling fra enkeltlags grafen, gennem få-lags bornitrid, der fungerer som en tunnelbarriere, og ind i mono- eller to-lags TMD-materialet, såsom wolframdiselenid (WSe2), hvor elektroner rekombinerer med huller for at udsende enkeltfotoner. Ved høje strømme, denne rekombination sker på tværs af hele enhedens overflade, med lav strøm, kvanteadfærden er tydelig, og rekombinationen er koncentreret i stærkt lokaliserede kvanteemittere.

Helelektrisk enkelt fotonemission er en nøgleprioritet for integreret kvanteoptoelektronik. Typisk, enkelt fotongenerering er afhængig af optisk excitation og kræver store optiske opsætninger med lasere og præcis justering af optiske komponenter. Denne forskning bringer enkelt fotonemission på chip til kvantekommunikation et skridt tættere på. Professor Mete Atatüre (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Storbritannien), medforfatter af forskningen, forklarer "I sidste ende, i et skalerbart kredsløb, vi har brug for fuldt integrerede enheder, som vi kan styre med elektriske impulser, i stedet for en laser, der fokuserer på forskellige segmenter af et integreret kredsløb. Til kvantekommunikation med enkeltfotoner, og kvante netværk mellem forskellige noder - f.eks. at parre qubits - vi vil bare kunne køre strøm, og få lyset ud. Der er mange udledere, der er optisk spændende, men kun en håndfuld er elektrisk drevet "I deres enheder, en beskeden strøm på mindre end 1 µA sikrer, at single-fotonadfærden dominerer emissionskarakteristika.

Den lagdelte struktur af TMD'er gør dem ideelle til brug i ultratynde heterostrukturer til brug på chips, og tilføjer også fordelen ved atomisk præcis laggrænseflade. Kvantemittere er stærkt lokaliseret i TMD -laget og har spektralt skarpe emissionsspektre. Den lagdelte natur giver også en fordel i forhold til nogle andre enkelt-fotonemittere for gennemførlig og effektiv integration i nanofotoniske kredsløb. Professor Frank Koppens (ICFO, Spanien), leder af arbejdspakke 8 - optoelektronik og fotonik, tilføjer "Elektrisk drevne enkeltfonkilder er afgørende for mange applikationer, og denne første erkendelse med lagdelte materialer er en reel milepæl. Denne ultratynde og fleksible platform tilbyder høje niveauer af afstemning, design frihed, og integrationskapacitet med nano-elektroniske platforme inklusive silicium CMOS. "

Denne forskning er et fantastisk eksempel på de muligheder, der kan åbnes med nye opdagelser om materialer. Quantum dots blev opdaget at eksistere i lagdelte TMD'er først for nylig, med forskning udgivet samtidigt i begyndelsen af ​​2015 af flere forskellige forskningsgrupper, herunder grupper, der i øjeblikket arbejder inden for Graphene Flagship. Dr. Marek Potemski og kolleger, der arbejder på CNRS (Frankrig) i samarbejde med forskere ved University of Warsaw (Polen), opdagede stabile kvanteemittere i kanterne af WSe2-monolag, viser stærkt lokaliseret fotoluminescens med single-foton emissionskarakteristika. Professor Kis og kolleger, der arbejder på ETH Zürich og EPFL (Schweiz) observerede også enkelt fotonemittere med smalle linewidths i WSe2. På samme tid, Professor van der Zant og kolleger fra Delft University of Technology (Holland), arbejder med forskere ved universitetet i Münster (Tyskland) observerede, at de lokaliserede emittere i WSe2 skyldes fangede excitoner, og foreslog, at de stammer fra strukturelle defekter. Disse kvanteemittere har potentiale til at erstatte forskning i de mere traditionelle quantum dot -modstykker på grund af deres mange fordele ved de ultratynde enheder i de lagdelte strukturer.

Med denne forskning, kvanteemittere ses nu i et andet TMD -materiale, nemlig wolframdisulfid (WS2). Professor Atatüre siger "Vi valgte WS2, fordi det har højere båndgap, og vi ville se, om forskellige materialer tilbød forskellige dele af spektrene til enkelt fotonemission. Med dette, vi har vist, at kvanteemissionen ikke er et unikt træk ved WSe2, hvilket tyder på, at mange andre lagdelte materialer også kan være vært for kvantepriklignende funktioner. "

Professor Andrea Ferrari (University of Cambridge, Storbritannien), Formand for Graphene Flagship Management Panel, og flagskibets videnskabs- og teknologiofficer, var også medforfatter på forskningen. Han tilføjer "Vi kradser bare overfladen af ​​de mange mulige anvendelser af enheder, der er forberedt ved at kombinere grafen med andre isolerende, halvledende, superledende eller metalliske lagdelte materialer. I dette tilfælde, ikke kun har vi demonstreret kontrollerbare fotonkilder, men vi har også vist, at kvanteteknologiområdet kan have stor gavn af lagdelte materialer. Vi håber, at dette vil bringe synergier mellem Graphene Flagship og dets forskere, og det nyligt annoncerede Quantum Technologies Flagship, påbegyndes inden for de næste par år. Mange flere spændende resultater og applikationer vil helt sikkert følge ”.