Les émetteurs quantiques sont essentiels pour une gamme de technologies, notamment les LED, lasers et, en particulier, protocoles de communication et de calcul quantiques photoniques. Jusque là, les scientifiques se sont tournés vers le diamant et le carbure de silicium (SiC) pour développer des sources de photons uniques en raison de leur large bande interdite et de leurs excellentes propriétés optiques. Cependant, les défauts de ces semi-conducteurs sont mis en évidence par les tentatives de manipulation et d'acheminement de ce type d'émission quantique de manière intégrée pour créer des systèmes évolutifs.

Maintenant Tsung-Ju Lu et Benjamin Lienhard, et une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de la City University of New York aux États-Unis, dirigé par Dirk Englund du MIT, ont réalisé des émetteurs quantiques dans un semi-conducteur III-V, nitrure d'aluminium (AlN). AIN est déjà bien implanté dans l'industrie de l'optoélectronique et de l'électronique haute tension. En modelant l'AlN avec les émetteurs quantiques intégrés, ils ont pu intégrer les émetteurs directement dans un circuit photonique.

Obtenir l'émission quantique

Lu décrit les émetteurs quantiques comme des sources lumineuses qui émettent des photons uniques. "Ils peuvent potentiellement avoir des états de spin électronique qui peuvent former un bit quantique, ou qubit, dans lequel les seules particules de lumière émises par l'émetteur quantique portent l'information du qubit, " raconte-t-il à Phys.org. C'est en acheminant les informations du qubit à l'aide de circuits intégrés photoniques que les problèmes surgissent avec les émetteurs quantiques réalisés en diamant ou en SiC, parce que les chercheurs ne peuvent pas faire pousser ces matériaux sous forme de films minces sur un substrat à faible indice de réfraction, qui est nécessaire pour la réflexion interne totale dans les guides d'ondes photoniques.

Une voie prometteuse consiste à combiner ces matériaux avec d'autres matériaux déjà bien établis en tant que plateformes de circuits intégrés photoniques pour réacheminer les photons produits, mais cela introduit des inefficacités potentielles lors de la connexion entre différents matériaux. Lu et ses collègues avaient déjà développé une plate-forme photonique AlN sur saphir dans le but de s'interfacer avec des émetteurs quantiques bien étudiés dans d'autres matériaux comme le diamant.

« AlN ayant l'une des bandes interdites les plus larges parmi tous les matériaux semi-conducteurs, il était naturel pour nous d'explorer si l'AlN lui-même peut ou non héberger des émetteurs quantiques qui peuvent être facilement intégrés et connectés à notre plate-forme photonique AlN sur saphir, " il dit.

Chauffé à la perfection

Les chercheurs ont commencé avec des plaquettes composées de nanocolonnes hexagonales densément emballées d'AlN cultivées sur du saphir et ont produit des émetteurs quantiques dans le matériau en le bombardant d'ions hélium à l'aide d'un microscope à ions hélium pour produire des défauts à base de lacunes dans lesquels un atome dans le réseau cristallin est manquant. Les centres de défauts ont une structure de niveau d'énergie électronique semblable à celle des atomes. En tant que tel, le centre du défaut peut être stimulé jusqu'à l'état excité en y projetant un laser, et un seul photon est émis lorsqu'il retombe à l'état fondamental. Cette émission de photon unique a une caractéristique "anti-groupage" - car l'émetteur quantique n'émet qu'un photon à la fois, une période de temps finie s'écoule entre les émissions de photons.

Les semi-conducteurs nécessitent généralement une cristallinité élevée afin d'héberger des émetteurs quantiques stables. Le hic, c'est que lorsque les films AlN poussent sur un autre matériau, par exemple, saphir comme dans l'oeuvre actuelle, il doit être assez épais pour établir une cristallinité élevée. Par conséquent, lorsque les chercheurs ont étudié leurs films minces traités avec des ions hélium suivis d'un recuit à 700 degrés C pour former des émetteurs quantiques, leurs mesures de photoluminescence étaient noyées dans le bruit de fond, cachant la présence d'émetteurs quantiques. Heureusement, ils ont découvert qu'un traitement à haute température à une température encore plus élevée de 1000 degrés C pourrait améliorer la cristallinité à un degré suffisant pour résoudre les émetteurs de photons uniques.

Les chercheurs ont mesuré et caractérisé les émetteurs quantiques dans des échantillons recuits à 1000 degrés C, qui se sont avérés avoir un taux de comptage d'émission élevé tout en maintenant une pureté exceptionnelle de photon unique, tout en fonctionnant à température ambiante. Par ailleurs, en modelant l'échantillon avec des éléments tels que des réflecteurs de Bragg distribués, filtres spectraux, diviseurs de faisceau et coupleurs de bord ou de grille, ils pourraient intégrer directement les émetteurs quantiques dans des circuits photoniques, montrant le potentiel de création d'émetteurs quantiques de haute qualité intégrés de manière monolithique dans une large gamme de dispositifs à base d'AlN.

Ayant établi les excellentes propriétés optiques des émetteurs quantiques AlN, les chercheurs ont ensuite l'intention de déterminer leur origine exacte pour savoir s'ils ont des états de spin qui peuvent être contrôlés optiquement pour agir comme des qubits.

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