Les points quantiques (QD) semi-conducteurs à l'état solide apparaissent comme des candidats prometteurs en raison de leur structure à deux énergies semblable à un atome et de leur compatibilité avec les processus contemporains de fabrication de semi-conducteurs pour l'intégration de microcavités. Cependant, des problèmes surviennent en raison de désordres structurels ou de défauts introduits au cours du processus de fabrication, affectant négativement les performances.

Dans ce contexte, l’optique topologique apparaît comme une solution prometteuse de par sa robustesse topologique intrinsèque. L'état de coin topologique d'ordre supérieur, offrant un volume de mode plus petit, produit un facteur de Purcell ou une division de Rabi sous vide plus élevé, même avec un facteur Q modeste.

Néanmoins, des défis persistent pour coupler des QD uniques à des cavités topologiques très confinées, principalement en raison de la distribution spatiale aléatoire des QD au cours de leur processus de croissance. Les tentatives précédentes ont rencontré des difficultés pour parvenir à une amélioration significative des interactions lumière-matière.

Dans une publication récente dans Light :Science &Applications , l'équipe de recherche dirigée par le professeur Ying Yu et le professeur Jianwen Dong de l'Université Sun Yat-sen démontre le couplage déterministe initial d'un seul QD à un état de coin topologique. Cette réalisation exploite la robustesse topologique pour modifier la structure, en utilisant une technique d'imagerie de photoluminescence (PL) à grand champ. Grâce à la résonance, ils observent un facteur Purcell notable de 3,7 et une émission de photons uniques polarisés.

La structure est conçue sur la base de l'état de coin 0D, caractéristique d'un cristal photonique topologique (PhC) de second ordre de type dalle. La topologie de bande du PhC découle de la polarisation dipolaire de bord quantifiée, marquée par une phase Zak 2D.

La structure PhC adopte une définition de cellule unitaire distinctive avec un réseau carré, représenté par les régions rouges et bleues sur la figure 1a. Par conséquent, les phases Zak correspondant à chaque région diffèrent. La combinaison de ces PhC distincts, comme le montre la figure 1a, donne naissance à un état de coin, une convergence des deux ensembles de polarisation d'interface 1D, comme le montre la figure 1b.

Cependant, dans cette cavité, le QD unique est positionné à proximité immédiate de la surface gravée à sec, ce qui peut entraîner une diffusion spectrale ou un clignotement dû au couplage avec les états de surface et les pièges à charge. Pour résoudre ce problème, la conception est ajustée en éliminant le trou d'air central, comme illustré sur la figure 1c.

Comme l’état du coin est intrinsèquement garanti par la propriété topologique de polarisation dipolaire de bord, il reste insensible aux faibles perturbations, telles que le trou d’air supprimé. La figure 1d illustre le profil de l'état du coin avec le trou central rétabli. Après avoir rétabli le trou central, l'état du coin reste presque intact, avec un facteur Q plus élevé, un volume de mode modeste et une plus grande distance (~ 100 nm) entre le QD et la surface gravée.

Expérimentalement, la cavité topologique est fabriquée de manière déterministe autour du QD cible en utilisant une technique d'imagerie PL à grand champ. Figues. 2a–b présentent les images PL du dispositif avant et après la fabrication de la cavité, révélant clairement le QD unique ciblé (point lumineux) au centre de l'état du coin créé.

En ajustant la température, le QD cible est affiné sur la résonance de l'état de coin, comme illustré sur la figure 2c. Un facteur Purcell d'environ 3, 7 est démontré lorsque le QD entre en résonance avec l'état de coin, comme le montre la figure 2d. Une mesure de corrélation Hanbury Brown et Twiss est effectuée pour évaluer la pureté d'un photon unique, indiquant une faible probabilité multiphotonique de g(2)(0) ~ 0,024 ± 0,103.

En résumé, les chercheurs démontrent le couplage déterministe initial d’un seul QD avec un état de coin, en tirant parti de la robustesse topologique et de techniques de positionnement précises. Grâce au réglage de la température, ils atteignent un facteur Purcell à la résonance de 3,7.

Le dispositif présente également une émission polarisée à photon unique avec une pureté de photon unique g(2)(0) aussi faible que 0,024 ± 0,103. Cette percée élargit le potentiel des phases topologiques d'ordre supérieur pour des applications avancées dans la manipulation des interactions lumière-matière au niveau quantique.