Les chercheurs du Graphene Flagship utilisent des matériaux en couches pour créer des diodes électroluminescentes (DEL) quantiques entièrement électriques avec émission à photon unique. Ces LED ont un potentiel en tant que sources de photons sur puce dans les applications d'information quantique.

Des LED atomiquement minces émettant un photon à la fois ont été développées par des chercheurs du Graphene Flagship. Construit de couches de matériaux atomiquement minces, y compris les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), graphène, et le nitrure de bore, les LED ultra-minces montrant une génération de photons uniques entièrement électriques pourraient être d'excellentes sources de lumière quantique sur puce pour un large éventail d'applications photoniques pour les communications et les réseaux quantiques. La recherche, signalé dans Communication Nature , a été dirigé par l'Université de Cambridge, ROYAUME-UNI.

Les dispositifs ultra-minces rapportés dans l'article sont constitués de fines couches de différents matériaux en couches, empilés pour former une hétérostructure. Un courant électrique est injecté dans l'appareil, tunneling à partir de graphène monocouche, grâce au nitrure de bore à quelques couches agissant comme une barrière tunnel, et dans le matériau TMD mono- ou bi-couche, tels que le diséléniure de tungstène (WSe2), où les électrons se recombinent avec des trous pour émettre des photons uniques. Aux courants élevés, cette recombinaison se produit sur toute la surface du dispositif, tandis qu'à faibles courants, le comportement quantique est apparent et la recombinaison est concentrée dans des émetteurs quantiques très localisés.

L'émission de photons uniques entièrement électriques est une priorité clé pour l'optoélectronique quantique intégrée. Typiquement, la génération de photons uniques repose sur une excitation optique et nécessite des configurations optiques à grande échelle avec des lasers et un alignement précis des composants optiques. Cette recherche rapproche l'émission de photons uniques sur puce pour la communication quantique. Professeur Mete Atatüre (Laboratoire Cavendish, Université de Cambridge, ROYAUME-UNI), co-auteur de la recherche, explique "En fin de compte, dans un circuit évolutif, nous avons besoin d'appareils entièrement intégrés que nous pouvons contrôler par des impulsions électriques, au lieu d'un laser qui se concentre sur différents segments d'un circuit intégré. Pour la communication quantique avec des photons uniques, et les réseaux quantiques entre différents nœuds - par exemple, coupler des qubits - nous voulons pouvoir simplement conduire du courant, et faire sortir la lumière. Il existe de nombreux émetteurs optiquement excitables, mais seule une poignée est entraînée électriquement" Dans leurs appareils, un courant modeste de moins de 1 µA garantit que le comportement du photon unique domine les caractéristiques d'émission.

La structure en couches des TMD les rend idéales pour une utilisation dans des hétérostructures ultra-minces pour une utilisation sur des puces, et ajoute également l'avantage d'un interfaçage de couche de précision atomique. Les émetteurs quantiques sont très localisés dans la couche TMD et ont des spectres d'émission spectralement précis. La nature en couches offre également un avantage par rapport à d'autres émetteurs à photon unique pour une intégration réalisable et efficace dans des circuits nanophotoniques. Professeur Frank Koppens (ICFO, Espagne), responsable du Work Package 8 – Optoélectronique et Photonique, ajoute « Les sources de photons uniques à commande électrique sont essentielles pour de nombreuses applications, et cette première réalisation avec des matériaux stratifiés est un véritable jalon. Cette plate-forme ultra-mince et flexible offre des niveaux élevés d'accordabilité, liberté de conception, et des capacités d'intégration avec des plates-formes nano-électroniques, y compris le silicium CMOS."

Cette recherche est un exemple fantastique des possibilités qui peuvent être ouvertes avec de nouvelles découvertes sur les matériaux. Les points quantiques n'ont été découverts que très récemment dans les TMD en couches, avec des recherches publiées simultanément au début de 2015 par plusieurs groupes de recherche différents, y compris des groupes travaillant actuellement au sein du Graphene Flagship. Le Dr Marek Potemski et ses collaborateurs du CNRS (France) en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Varsovie (Pologne) ont découvert des émetteurs quantiques stables aux bords des monocouches WSe2, affichant une photoluminescence très localisée avec des caractéristiques d'émission de photons uniques. Le professeur Kis et ses collègues de l'ETH Zurich et de l'EPFL (Suisse) ont également observé des émetteurs de photons uniques avec des largeurs de raie étroites dans WSe2. À la fois, Le professeur van der Zant et ses collègues de l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Münster (Allemagne) a observé que les émetteurs localisés dans WSe2 sont dus à des excitons piégés, et a suggéré qu'ils proviennent de défauts structurels. Ces émetteurs quantiques ont le potentiel de supplanter la recherche sur les homologues à points quantiques plus traditionnels en raison de leurs nombreux avantages des dispositifs ultraminces des structures en couches.

Avec cette recherche, des émetteurs quantiques sont maintenant vus dans un autre matériau TMD, à savoir le disulfure de tungstène (WS2). Le professeur Atatüre déclare :« Nous avons choisi WS2 parce qu'il a une bande interdite plus élevée, et nous voulions voir si différents matériaux offraient différentes parties du spectre pour l'émission de photons uniques. Avec ça, nous avons montré que l'émission quantique n'est pas une caractéristique unique de WSe2, ce qui suggère que de nombreux autres matériaux en couches pourraient également héberger des caractéristiques de type point quantique. »

Professeur Andrea Ferrari (Université de Cambridge, ROYAUME-UNI), Président du panel de gestion des produits phares du graphène, et l'officier scientifique et technologique du vaisseau amiral, également co-auteur de la recherche. Il ajoute "Nous ne faisons qu'effleurer la surface des nombreuses applications possibles des dispositifs préparés en combinant du graphène avec d'autres isolants, semi-conducteur, matériaux en couches supraconducteurs ou métalliques. Dans ce cas, non seulement nous avons démontré des sources de photons contrôlables, mais nous avons également montré que le domaine des technologies quantiques peut grandement bénéficier des matériaux en couches. Nous espérons que cela apportera des synergies entre le Graphene Flagship et ses chercheurs, et le produit phare de Quantum Technologies récemment annoncé, devrait démarrer dans les prochaines années. De nombreux autres résultats et applications passionnants suivront sûrement".