Quantenpunkte für die Emission einzelner Photonen
Eine Methode zur Herstellung von Quantenpunkten ermöglicht es ihnen, einzelne Photonen freizusetzen.Der Ansatz könnte Quantenkommunikationssysteme und photonisches Quantencomputing unterstützen.
Wissenschaftler des Gleb Wataghin Physics Institute der State University of Campinas in Brasilien haben eine Möglichkeit entwickelt, Halbleiter-Quantenpunkte herzustellen, die einzelne Photonen emittieren.Der Schritt könnte Quantenkommunikation und photonisches Quantencomputing unterstützen.Das Team verwendete eine Herstellungstechnik namens lokales Tröpfchenätzen, um Quantenpunkte mit geringerer Dichte und Symmetrie zu erzeugen, die eine stabile Einzelphotonenemission ermöglichen.
Quantenpunkte sind nanoskalige Halbleiterstrukturen, die Elektronen und Löcher einschließen.Wenn sie durch einen Laser angeregt werden, emittieren sie Licht mit Wellenlängen.Da sie einzelne Photonen oder verschränkte Photonenpaare freisetzen können, sind sie Komponenten für Quantentechnologien wie Kommunikationssysteme und photonische Quantenprozessoren.
Viele Experimente basieren auf Indium-Gallium-Arsenid-Quantenpunkten, die mit der Stranski-Krastanov-Wachstumsmethode hergestellt werden.Dabei wächst eine Kristallschicht entsprechend der Gitterstruktur des Substrats auf eine andere.Die Technik erzeugt häufig Quantenpunkte mit Oberflächendichte und strukturellen Variationen, was die Isolierung von Photonenemitter erschwert.Die Punkte weisen außerdem eine Strahlungslebensdauer von etwa einer Nanosekunde auf und hinterlassen eine Benetzungsschicht, die elektronische Effekte hervorrufen kann.
Um diese Probleme anzugehen, verwendeten die Forscher während des Kristallwachstums lokales Tröpfchenätzen.Auf der Oberfläche bilden sich Metalltröpfchen, die Nanokavitäten erzeugen.Diese Hohlräume werden dann kontrolliert gefüllt, um Quantenpunkte mit einstellbarer Dichte zu erzeugen.
Die Nanokavitäten wurden mit einer dünnen, etwa einen Nanometer dicken Schicht aus Indiumgalliumarsenid gefüllt.Dadurch wird die Belastung reduziert und das optische Verhalten verbessert.Messungen ergaben eine Oberflächendichte von etwa 0,2 bis 0,3 Quantenpunkten pro Quadratmikrometer, was die Isolierung der Emitter erleichtert.
Die Strukturen erzeugten auch eine schnellere Photonenemission.Die Strahlungslebensdauern wurden mit etwa 300 Pikosekunden gemessen, etwa dreimal kürzer als bei Quantenpunkten, die mit herkömmlichen Wachstumsmethoden hergestellt wurden.
Die Forscher passten auch die Indiumkonzentration an, um die Wellenlänge des emittierten Lichts zu steuern.Die Emission könnte bei kryogenen Temperaturen, einem Bereich, der in photonischen Systemen verwendet wird, zwischen etwa 780 und 900 Nanometern eingestellt werden.
Das Team untersuchte auch die Feinstrukturaufspaltung, einen Parameter, der bestimmt, ob Quantenpunkte polarisationsverschränkte Photonenpaare erzeugen können.Die gemessenen Werte waren vergleichbar mit Ergebnissen, die in ähnlichen Systemen gemeldet wurden, was auf eine Verwendung in der Quantenkryptographie und in Quantennetzwerken hinweist.
