_ Reimaginarea unui singur foton cu punct cuantic surse: O descoperire în microcavitățile monolitice Fabry-Perot

Punctele cuantice semiconductoare auto-asamblate (QD) reprezintă o nanostructură tridimensională limitată cu niveluri de energie discrete, care sunt similare cu atomii. Ei sunt capabili să producă fotoni unici extrem de eficienți și indistingubili la cerere și sunt importanți pentru explorarea fizicii cuantice fundamentale și diverse aplicații în tehnologiile informaționale cuantice. Folosind procesele tradiționale de semiconductor, acest sistem de materiale oferă, de asemenea, o platformă scalabilă și compatibilă cu integrarea naturală.

Pentru o sursă QD cu un singur foton ideală, o abordare adoptată pe scară largă pentru obținerea de fotoni atât cu o eficiență ridicată de extracție, cât și cu indistingere, încorporează QD-uri în cavitățile fotonice îmbunătățite de Purcell. Cu toate acestea, distribuția aleatorie spațială a QD-urilor face dificilă cuplarea lor deterministă cu structuri fotonice.

În prezent, alinierea precisă a pozițiilor lor spațiale se bazează pe tehnici precise de poziționare cu fluorescență optică și una dintre strategiile optime pentru lungimea de undă. alinierea implică introducerea reglajului la stres.

Sursele actuale de ultimă generație QD cu un singur foton se bazează pe structuri deschise de cavitate Fabry-Perot (FP) sau micropiloni eliptici. Primul realizează alinierea poziției și a lungimii de undă prin reglarea fină a oglinzilor de sus și de jos, dar structurile discrete sunt sensibile la vibrațiile mediului. Structura izolată a acestuia din urmă împiedică transferul de stres, ceea ce face ca reglarea efectivă a lungimii de undă să fie dificilă.

În prezent, această structură se bazează în continuare pe reglarea temperaturii într-un interval mic, reducând semnificativ randamentul dispozitivului. Realizarea unei integrări eficiente a reglajului de stres într-o structură de microcavități, asigurând în același timp o aliniere precisă a poziției spațiale și a lungimii de undă, rămâne o provocare formidabilă.

Într-un studiu recent publicat în Light: Science & Applications, eforturile de colaborare ale Jiawei Yang, Ying Yu, Siyuan Yu de la Universitatea Sun Yat-sen și Yan Chen de la Universitatea Națională de Tehnologia Apărării au abordat aceste provocări prin combinarea inovatoare a microcavităților FP cu un actuator piezoelectric, dezvoltând o structură monolitică de microcavități reglabile cu lungimea de undă. Această abordare inovatoare elimină necesitatea gravării materialelor semiconductoare, prevenind defectele de suprafață și facilitând conducerea eficientă a tensiunii.

Așa cum se arată în Fig. 1a, microcavitatea FP proiectată în această lucrare este integrată pe un substrat piezoelectric. Deoarece QD-urile sunt localizate în pelicula subțire, stresul poate fi transmis eficient. Această structură nu necesită gravarea materialelor semiconductoare, evitând efectiv influența defectelor laterale asupra emisiei QD.

În structura microcavității FP descrisă în Fig. 1b, limitarea verticală a câmpului optic este formată din partea superioară. și reflectoarele Bragg inferioare, în timp ce limitarea laterală a câmpului optic este creată de un defect SiO2 parabolic. Eficiența simulată a sursei cu un singur foton poate ajunge la 0,95, cu un factor Purcell de 40 (Fig. 1c). În plus, modul fundamental are o distribuție a câmpului îndepărtat asemănător Gaussian, facilitând cuplarea în fibre optice.

În implementarea experimentală, tehnologia de poziționare optică cu câmp larg de înaltă precizie a fost folosită pentru a plasa QD-urile în centru. a microcavităților FP (Fig. 2b). Ulterior, microcavitatea cu film subțire care conține un singur QD a fost integrată pe un substrat PMN-PT (100) folosind tehnologia de imprimare cu micro-transfer (Fig. 2a).

O gamă de reglare de 1,3 nm a fost obținută prin scanarea tensiunii (Fig. 2c), care este cea mai mare gamă de reglare a lungimii de undă raportată pentru toate structurile de microcavități până în prezent. O îmbunătățire remarcabilă a luminozității de 50 de ori este obținută atunci când este adus QD-ul cu modul fundamental al microcavității, se obține o îmbunătățire de 50 de ori a luminozității (Fig. 2d).

În plus, atunci când QD-ul cuplat cu Modul H-polarizat (Fig. 3a), o rată maximă de numărare APD de 2,88 Mcps este înregistrată sub fluorescență prin rezonanță a impulsurilor (Fig. 3b), cu o eficiență de extracție a unui singur foton polarizat extras de 0,58 și o durată de viață rapidă de 100 ps.

În comparație cu QD-urile din structurile plane, aceasta reprezintă o reducere de zece ori a duratei de viață (Fig. 3c). Măsurarea corelației Hanbury Brown și Twiss extrage o puritate a unui singur foton de 0,956 (Fig. 3d), ceea ce înseamnă o probabilitate scăzută de multi-fotoni. Experimentele de interferență cu doi fotoni subliniază o impresionantă imposibilitate de distingere a fotonului de 0,922 (Fig. 3e).

În rezumat, cercetătorii au dezvoltat o structură monolitică a microcavității FP cu avantajul exploatării optime a efectului Purcell, o structură compactă. amprenta si capacitati de integrare. Prin încorporarea deterministă a unui singur QD în microcavitate, se obțin surse unice fotonice de înaltă performanță, cu o eficiență ridicată de extracție simultană, puritate ridicată și indistingere înaltă.

În ceea ce privește evoluțiile viitoare, stabilizarea sarcinii sau injecția de spin folosind electrice dispozitivele cu porți pot fi implementate direct în structură pentru a realiza emisia de un singur foton cu zgomot redus sau încurcarea spin-foton/o stare de cluster liniară.

În plus, reglarea deformarii poate fi folosită și pentru a șterge spectrul spectral. neomogenitatea între diferite QD-uri și adresarea FSS. Aceste aspecte sunt esențiale în realizarea unei surse de înaltă performanță de perechi de fotoni încâlciți.

Cel mai intrigant, simplitatea și versatilitatea schemei de cavitate deschid căi pentru stabilirea unei noi paradigme de producție pentru sursele de lumină cuantică, în care mai multe tipuri de surse de lumină cuantică solidă (inclusiv QD-uri semiconductoare, defecte etc.) cu diferite materiale de emitere și lungimi de undă de operare ar putea fi co-fabricate pe aceeași platformă PMN-PT. Această descoperire potențială ar putea avansa în mod semnificativ tehnologiile fotonice cuantice scalabile în viitor.

(Fluierul)