Des chercheurs de l'Université de Rochester ont montré que des défauts sur un semi-conducteur atomiquement mince peuvent produire des points quantiques électroluminescents. Les points quantiques servent de source de photons uniques et pourraient être utiles pour l'intégration de la photonique quantique avec l'électronique à l'état solide - une combinaison connue sous le nom de photonique intégrée.

Les scientifiques se sont intéressés aux dispositifs intégrés à semi-conducteurs pour le traitement de l'information quantique. Les points quantiques dans les semi-conducteurs atomiquement minces pourraient non seulement fournir un cadre pour explorer la physique fondamentale de la façon dont ils interagissent, mais aussi permettre des applications nanophotoniques, disent les chercheurs.

Les points quantiques sont souvent appelés atomes artificiels. Ce sont des défauts artificiels ou naturels dans les solides qui sont étudiés pour un large éventail d'applications. Nick Vamivakas, professeur assistant d'optique à l'Université de Rochester et auteur principal de l'article, ajoute qu'atomiquement mince, matériaux 2D, comme le graphène, ont également suscité l'intérêt des scientifiques désireux d'explorer leur potentiel pour l'optoélectronique. Cependant, jusqu'à maintenant, les points quantiques optiquement actifs n'ont pas été observés dans les matériaux 2D.

Dans un article publié en Nature Nanotechnologie cette semaine, les chercheurs de Rochester montrent comment le diséléniure de tungstène (WSe2) peut être transformé en un semi-conducteur atomiquement mince qui sert de plate-forme pour les points quantiques à l'état solide. Peut-être plus important encore, les défauts qui créent les points n'inhibent pas les performances électriques ou optiques du semi-conducteur et ils peuvent être contrôlés en appliquant des champs électriques et magnétiques.

Vamivakas explique que la luminosité de l'émission de points quantiques peut être contrôlée en appliquant la tension. Il ajoute que la prochaine étape consiste à utiliser la tension pour "ajuster la couleur" des photons émis, qui peut permettre d'intégrer ces boîtes quantiques à des dispositifs nanophotoniques.

Un avantage clé est à quel point il est plus facile de créer des points quantiques dans du diséléniure de tungstène atomiquement mince par rapport à la production de points quantiques dans des matériaux plus traditionnels comme l'arséniure d'indium.

"Nous commençons avec un cristal noir, puis nous en retirons des couches jusqu'à ce qu'il nous en reste un plus tard extrêmement fin, une feuille atomiquement mince de diséléniure de tungstène, " dit Vamivakas.

Les chercheurs prennent deux de ces feuilles atomiquement minces et les superposent. Au point où ils se chevauchent, un point quantique est créé. Le chevauchement crée un défaut dans la feuille 2D par ailleurs lisse de matériau semi-conducteur. Les semi-conducteurs extrêmement minces sont beaucoup plus faciles à intégrer avec d'autres appareils électroniques.

Les points quantiques du diséléniure de tungstène possèdent également un degré de liberté quantique intrinsèque - le spin électronique. Il s'agit d'une propriété souhaitable car le spin peut à la fois agir comme un magasin d'informations quantiques et fournir une sonde de l'environnement local de la boîte quantique.

"Ce qui rend le diséléniure de tungstène extrêmement polyvalent, c'est que la couleur des photons uniques émis par les points quantiques est corrélée au spin des points quantiques, " a déclaré le premier auteur Chitraleema Chakraborty. Chakraborty a ajouté que la facilité avec laquelle les spins et les photons interagissent les uns avec les autres devrait rendre ces systèmes idéaux pour les applications d'information quantique ainsi que la métrologie à l'échelle nanométrique.