Les chercheurs ont développé un nouveau type de cavité optique améliorant la lumière qui ne mesure que 200 nanomètres de haut et 100 nanomètres de large. Leur nouveau système à l'échelle nanométrique représente une étape vers des sources de photons uniques plus lumineuses, ce qui pourrait aider à propulser le cryptage quantique et un réseau vraiment sécurisé et évolutif.

Techniques de cryptage quantique, qui sont considérées comme susceptibles d'être au cœur des futures méthodes de cryptage des données, utiliser des photons individuels comme moyen extrêmement sûr d'encoder des données. Une limitation de ces techniques a été la capacité d'émettre des photons à des taux élevés. "L'un des chiffres de mérite les plus importants pour les sources à photon unique est la luminosité - ou les photons collectés par seconde - car plus elle est lumineuse, plus vous pouvez transmettre de données en toute sécurité avec le cryptage quantique, " dit Yousif Kelaita, Laboratoire de photonique nanométrique et quantique, Université de Stanford, Californie.

Dans la revue Matériaux optiques Express , Kelaita et ses collègues montrent que leur nouvelle nanocavité a considérablement augmenté la luminosité d'émission des points quantiques, des particules semi-conductrices à l'échelle nanométrique qui peuvent émettre des photons uniques.

Les chercheurs ont créé la nouvelle nanocavité en utilisant de l'argent hautement réfléchissant pour recouvrir les côtés d'un pilier semi-conducteur à l'échelle nanométrique posé sur un substrat. L'argent fait rebondir la lumière à l'intérieur du nanopilier, en le transformant en une très petite cavité optique. Les chercheurs affirment que le même concept de conception pourrait être utilisé pour construire des nanocavités à partir d'autres matériaux adaptés à différents émetteurs de photons uniques.

Piégeage de la lumière dans un petit espace

A l'échelle nanométrique, la lumière interagit avec les matériaux de manière unique. Un exemple est l'effet Purcell, qui améliore l'efficacité d'émission d'une boîte quantique ou d'un autre émetteur de lumière confiné dans une petite cavité. Les systèmes montrant l'amélioration de Purcell émettront plus de photons sur un laps de temps donné, ce qui pourrait permettre à des systèmes de chiffrement quantique de fonctionner plus rapidement qu'il n'est possible actuellement.

L'amélioration de Purcell bénéficie de cavités extrêmement petites car l'énergie est transférée plus rapidement entre l'émetteur de lumière et la cavité. Il est également souhaitable d'avoir un facteur de qualité suffisamment élevé, ce qui signifie que la réflexion de la cavité permet à la lumière de rebondir pendant longtemps.

"Nous avons démontré un nouveau type de cavité avec un volume de plusieurs ordres de grandeur inférieur à l'état de l'art actuel dans les systèmes à l'état solide, " a déclaré Kelaita. " Le système produit une forte amélioration de Purcell et une efficacité de collecte de lumière élevée en même temps, ce qui conduit à une augmentation globale de la luminosité de la source à photon unique."

Lorsque les chercheurs ont testé les nouvelles nanocavités, ils ont découvert que les points quantiques placés à l'intérieur des nanocavités émettaient plus de photons par seconde que les points quantiques non situés à l'intérieur d'une telle cavité.

Parce que les nanocavités sont ouvertes sur le dessus, la lumière émise peut voyager directement dans l'air. Des nanocavités similaires créées précédemment étaient recouvertes d'un revêtement métallique indésirable pour la collecte des photons émis. Le profil d'émission des nouvelles nanocavités correspond également bien aux objectifs de microscope standard, permettant à un pourcentage élevé de la lumière d'entrer dans la lentille. Une inadéquation entre le profil d'émission et les objectifs du microscope a causé une perte de lumière problématique dans les systèmes à nanocavité développés précédemment.

Faire la petite cavité

L'équipe a utilisé une technique de fabrication modifiée pour surmonter le défi de revêtir les nanopiliers de métal. Les nanostructures hautes et minces ont tendance à ressentir ce que l'on appelle des effets d'ombre, car les techniques de nanofabrication utilisent un processus dans lequel le métal tombe directement sur l'appareil, un peu comme de la neige.

"Si vous imaginez la neige tombant sur un arbre, la neige va s'accrocher à elle-même et s'entasser sur une branche de manière à former une plus grande largeur, ou monticule, que la branche elle-même, " a déclaré Kelaita. " Cela se produit également lorsque du métal est déposé sur quelque chose comme un pilier. Comme le métal s'accroche à lui-même, il crée un monticule plus grand que le pilier en dessous, empêchant le métal de tomber sous les pièces qui éclipsent le pilier. À la fin, cet effet d'ombrage crée un intervalle d'air dans l'appareil."

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont simultanément tourné et incliné l'échantillon pour recouvrir tous les côtés du pilier à la fois. Même avec cette nouvelle approche, ils devaient faire attention à l'angle sous lequel ils déposaient le métal pour éviter de former une connexion entre le métal recouvrant les côtés du pilier et le métal sur le dessus. Si une connexion a été établie, l'étape finale de retrait par ultrasons du capuchon métallique sur le dessus serait difficile, voire impossible.

"D'autres groupes travaillant avec le métal devraient être intéressés par cette technique car cet effet d'ombrage se produit même pour les éléments qui sont complètement encapsulés dans le métal, " dit Kelaita.

Des nanocavités encore meilleures

Les chercheurs travaillent maintenant à créer d'autres types de nanocavités avec des caractéristiques encore meilleures. Par exemple, ils veulent essayer de faire des nanocavités dans le diamant, ce qui pourrait permettre des sources monophotoniques fonctionnant à température ambiante, une exigence clé pour l'intégration du chiffrement quantique dans les appareils grand public.

Ils souhaitent également combiner les connaissances acquises grâce à ces nouveaux travaux avec un algorithme de conception inverse qu'ils ont récemment développé pour concevoir automatiquement des dispositifs photoniques intégrés sur des puces de silicium. Avec l'algorithme, les ingénieurs spécifient une fonction souhaitée et le logiciel fournit des instructions pour créer une structure qui exécute cette fonction.