Emissor de fóton único nos aproximando da tecnologia quântica

Para alcançar a tecnologia quântica, precisamos criar uma fonte de luz não clássica que possa produzir um único fóton por vez e fazer isso sob demanda. Pesquisadores da EPFL desenvolveram agora um desses emissores de fóton único que podem operar à temperatura ambiente. Baseado em pontos quânticos cultivados em substratos de silício econômicos.

Projetando fontes de luz não clássicas que podem produzir, sob demanda, precisamente um fóton de cada vez. É um dos principais requisitos das tecnologias quânticas. No entanto, embora a apresentação inicial de tal “emissor de fóton único”, ou SPE, remonte à década de 1970. Sua confiabilidade e desempenho reduzidos impediram qualquer uso prático significativo.

Fontes tradicionais de luz, como lâmpadas incandescentes ou LEDs, irradiam multidões de fótons. Simplificando, a probabilidade de irradiar um fóton solitário de cada vez é extremamente baixa. As fontes de laser podem descarregar fluxos de fótons únicos. No entanto, não sob demanda, o que indica isso. Em alguns casos, não haverá fótons produzidos quando desejamos.

Portanto, o principal benefício dos SPEs é que eles são capazes de emitir um fóton solitário. E fazendo isso sob demanda em termos mais técnicos, sua pureza de fóton único. Que eles podem preservar em um prazo ultrarrápido. Portanto, para que uma fonte de luz se qualifique como SPE, ela precisa incluir uma pureza de fóton único acima de 50%; naturalmente. Portanto, quanto mais próximo de 100%, mais próximos estaremos de um SPE ideal.

Substratos de silício para SPEs

Cientistas da EPFL, liderados pelo professor Nicolas Grandjean. Criaram SPEs “brilhantes e puros” baseados em pontos quânticos de semicondutores de banda larga cultivados em substratos de silício econômicos.

Os pontos quânticos compreendem nitreto de gálio e nitreto de alumínio (GaN/AlN) e apresentam uma pureza de fóton único de 95% em temperaturas criogênicas, preservando durabilidade excepcional em temperaturas mais altas, com pureza de 83% em temperatura ambiente.

Além disso, o SPE apresenta taxas de emissão de fótons de até 1 MHz, preservando uma pureza de fóton único superior a 50%. “Tal brilho até a temperatura ambiente é possível devido às propriedades eletrônicas únicas dos pontos quânticos GaN/AlN, que preservam a pureza de um único fóton devido à sobreposição espectral limitada com a excitação eletrônica vizinha concorrente”, afirma Stachurski, Ph.D. . estudante que explorou esses sistemas quânticos.

“Uma característica muito atraente dos pontos quânticos GaN/AlN é que eles pertencem à família de semicondutores de nitreto III, ou seja, por trás da revolução da iluminação de estado sólido (LEDs azuis e brancos) cuja importância foi reconhecida pelo Prêmio Nobel de Física em 2014 ”, disseram os pesquisadores.

“Hoje é a segunda família de semicondutores em termos de mercado consumidor logo após o silício que domina a indústria microeletrônica. Como tal, os nitretos III beneficiam de uma plataforma tecnológica sólida e madura, o que os torna de alto potencial de interesse para o desenvolvimento de aplicações quânticas.”

Uma ação futura essencial será verificar se esse sistema pode descarregar um fóton e apenas um por pulso de laser, o que é crucial para estabelecer seu desempenho.

“Como nossas excitações eletrônicas exibem tempos de vida à temperatura ambiente tão curtos quanto 2 a 3 bilionésimos de segundo, a taxa de fóton único de várias dezenas de MHz pode estar ao alcance”, disseram os autores. “Combinada com a excitação de laser ressonante, que é conhecida por melhorar significativamente a pureza de um único fóton, nossa plataforma de pontos quânticos pode ser interessante para implementar a distribuição de chaves quânticas à temperatura ambiente com base em um verdadeiro SPE, em oposição aos atuais sistemas comerciais que funcionam com fontes de laser atenuadas.”

Originalmente publicado por: phys.org

Referência: Johann Stachurski et al, Emissão de fóton único e dinâmica de recombinação em pontos quânticos de GaN/AlN automontados,  Light: Science & Applications  (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00799-4

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