Новости космоса и технологий. » Физика » Полупроводниковые фотонные интегральные схемы III-V становятся квантовыми

Полупроводниковые фотонные интегральные схемы III-V становятся квантовыми

Опубликовал: Admin, 6-10-2020, 01:01, Физика, 59, 0

Полупроводниковые фотонные интегральные схемы III-V становятся квантовыми

Квантовые излучатели являются ключевыми для ряда технологий, включая светодиоды, лазеры и, в частности, протоколы фотонной квантовой связи и вычислений. Пока что ученые обратились к алмазу и карбиду кремния (SiC) для разработки источников одиночных фотонов из-за их широкой запрещенной зоны и отличных оптических свойств. Однако недостатки этих полупроводников подчеркиваются попытками интегрированного управления и направления квантового излучения этого типа для создания масштабируемых систем.

Теперь Цунг-Джу Лу и Бенджамин Линхард, а также группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и Городского университета Нью-Йорка в США во главе с Дирком Энглундом из Массачусетского технологического института создали квантовые излучатели в полупроводнике III-V, нитрид алюминия (AlN). AIN уже хорошо зарекомендовал себя в оптоэлектронике и высоковольтной электронике. Создав образец AlN со встроенными квантовыми излучателями, они смогли интегрировать излучатели непосредственно в фотонную схему.

Получение квантового излучения

Лу описывает квантовые излучатели как источники света, излучающие одиночные фотоны. «У них потенциально могут быть состояния электронного спина, которые могут образовывать квантовый бит или кубит, в котором отдельные частицы света, излучаемые квантовым излучателем, несут информацию кубита», - говорит он Phys.org. Проблемы с квантовыми излучателями, изготовленными из алмаза или SiC, возникают именно при маршрутизации информации кубита с помощью фотонных интегральных схем, поскольку исследователи не могут выращивать эти материалы в виде тонких пленок на подложке с низким показателем преломления, которая необходима для полного внутреннего отражения в фотонных системах. волноводы.

Один многообещающий способ обойти это - объединить эти материалы с другими материалами, уже хорошо зарекомендовавшими себя в качестве платформ фотонных интегральных схем, чтобы перенаправить производимые фотоны, но это создает потенциальную неэффективность при соединении между различными материалами. Лу и его коллеги уже разработали платформу для фотоники AlN на сапфире с целью взаимодействия с хорошо изученными квантовыми излучателями из других материалов, таких как алмаз.

«Поскольку у AlN одна из самых широких запрещенных зон среди всех полупроводниковых материалов, для нас было естественным исследовать, может ли сам AlN содержать квантовые излучатели, которые можно легко интегрировать и подключать к нашей платформе фотоники AlN на сапфире», он говорит.

Прогретый до совершенства

Исследователи начали с пластин, состоящих из плотно упакованных гексагональных наноколонок AlN, выращенных на поверхности сапфира, и создали квантовые излучатели в материале, бомбардируя его ионы гелия использование гелиевого ионного микроскопа для создания дефектов на основе вакансий, в которых отсутствует один атом в кристаллической решетке. Дефектные центры имеют структуру электронных уровней энергии, аналогичную структуре атомов. Таким образом, центр дефекта можно стимулировать в возбужденное состояние, направив на него лазерное излучение, и один фотон испускается, когда он распадается обратно в основное состояние. Это однофотонное излучение имеет "антигруппирующую" характеристику - потому что квант эмиттер испускает только один фотон за раз, между испусканием фотонов проходит конечный период времени.

Полупроводники обычно требуют высокой кристалличности для размещения стабильных квантовых излучателей. Загвоздка в том, что когда пленки AlN растут на каком-либо другом материале, например, на сапфире, как в настоящей работе, он должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечить высокую кристалличность. В результате, когда исследователи изучили их тонкие пленки обработанные ионами гелия с последующим отжигом при 700 ° C для образования квантовых излучателей, их измерения фотолюминесценции были заглушены фоновым шумом, скрывающим присутствие квантовых излучателей. К счастью, они обнаружили, что высокотемпературная обработка при еще более высокой температуре в 1000 градусов C может улучшить кристалличность в достаточной степени, чтобы разрешить излучатели одиночных фотонов.

Исследователи измерили и охарактеризовали квантовые излучатели в образцах, отожженных при температуре 1000 градусов Цельсия, которые, как было показано, имеют высокую скорость счета излучения при сохранении исключительной чистоты однофотонных излучений при работе при комнатной температуре. Кроме того, за счет формирования образца с такими элементами, как распределенные брэгговские отражатели, спектральные фильтры, делители луча и краевые или решетчатые элементы связи, они могли напрямую интегрировать квантовые излучатели в фотонные схемы, показывая потенциал для создания высококачественных квантовых излучателей, монолитно интегрированных в широкий спектр устройств на основе AlN.

Установив превосходные оптические свойства квантовых излучателей AlN, исследователи затем намерены определить их точное происхождение, чтобы понять, есть ли у них спиновые состояния, которыми можно оптически управлять, чтобы они действовали как кубиты.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии