Ученые из швейцарской EPFL (Федеральной политехнической школы Лозанны) разработали устройство-излучатель одиночных фотонов, который способен работать при комнатной температуре и основан на квантовых точках, выращенных на экономичных кремниевых подложках. Об этом сообщает портал Tech Explorist. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Разработка неклассических источников света, которые могут излучать ровно один фотон за раз, является одним из основных требований квантовых технологий. Но хотя первая демонстрация такого «излучателя одиночного фотона», или SPE, относится еще к 1970-м годам, их низкая надежность и эффективность стояли на пути любого значимого практического использования.
Обычные источники света, такие как лампы накаливания или светодиоды, испускают одновременно целые пучки фотонов. Лазерные источники могут излучать потоки одиночных фотонов, но не по запросу, а это означает, что фотоны нередко вообще не излучаются, когда это требуется.
Таким образом, главное преимущество SPE заключается в том, что они могут делать и то, и другое: излучать один фотон и делать это по запросу – или, говоря более технически, их «однофотонная чистота», которую они могут поддерживать в сверхбыстрых временных рамках. Показатель однофотонной чистоты, близкий к 100%, является характеристикой «идеального» SPE.
Исследователи из EPFL под руководством профессора Николя Гранжана разработали достаточно «яркие и чистые» SPE на основе широкозонных полупроводниковых квантовых точек, выращенных на экономичных кремниевых подложках.
Квантовые точки изготовлены из нитрида галлия и нитрида алюминия (GaN/AlN) и имеют однофотонную чистоту 95% при криогенных температурах, а также сохраняют превосходную устойчивость при более высоких температурах (с показателем чистоты 83% при комнатной температуре).
Однофотонный излучатель EPFL также показывает скорость излучения фотонов до 1 МГц при сохранении чистоты одиночных фотонов более 50%. «Такая яркость вплоть до условий комнатной температуры возможна из-за уникальных электронных свойств квантовых точек GaN/AlN, которые сохраняют однофотонную чистоту из-за ограниченного спектрального перекрытия с конкурирующими соседними электронными возбуждениями», – отмечает аспирант Стахурски, который исследовал эти квантовые системы.
По словам исследователей, очень привлекательной особенностью квантовых точек GaN/AlN является то, что они принадлежат к семейству III-нитридных полупроводников, а именно тому, что стоит за революцией в твердотельном освещении (белые и синие светодиоды). В настоящее время это второе семейство полупроводников с точки зрения потребительского рынка сразу после кремния, которое доминирует в микроэлектронной промышленности.
Таким образом, III-нитриды в качестве прочной и зрелой технологической платформы потенциально интересны для разработки квантовых приложений. Важным будущим шагом станет проверка того, может ли эта платформа излучать один и только один фотон за один импульс лазера, что является необходимым условием для определения ее эффективности.
«Поскольку наши электронные возбуждения демонстрируют время жизни при комнатной температуре всего от 2 до 3 миллиардных долей секунды, частота одиночных фотонов может достигать нескольких десятков МГц. В сочетании с резонансным лазерным возбуждением, которое значительно улучшает однофотонную чистоту, наша платформа квантовых точек может представлять интерес для реализации распределения квантовых ключей при комнатной температуре на основе полноценного SPE, в отличие от существующих коммерческих систем, которые работают на основе ослабленных лазерных источников», – подчеркивают авторы исследования EPFL.