Однофотонное излучение самоорганизующейся квантовой точки GaN/AlN. Предоставлено: Дж. Стахурски (EPFL).

Разработка неклассических источников света, которые могут излучать ровно один фотон за раз, является одним из основных требований квантовых технологий. Но хотя первая демонстрация такого «излучателя одиночного фотона», или SPE, относится к 1970-м годам, их низкая надежность и эффективность стояли на пути любого значимого практического использования.

Обычные источники света, такие как лампы накаливания или светодиоды, испускают пучки фотонов одновременно. Другими словами, их вероятность испустить один фотон за раз очень мала. Лазерные источники могут излучать потоки одиночных фотонов, но не по запросу, а это означает, что иногда фотоны вообще не излучаются, когда мы этого хотим.

Таким образом, главное преимущество SPE заключается в том, что они могут делать и то, и другое: излучать один фотон и делать это по запросу — или, говоря более технически, их однофотонная чистота, которую они могут поддерживать в сверхбыстрых временных рамках. Таким образом, для того, чтобы источник света мог квалифицироваться как ТФЭ, он должен иметь однофотонную чистоту выше 50%; конечно, чем ближе к 100%, тем ближе мы будем к идеальному СФЭ.

Исследователи из EPFL под руководством профессора Николя Гранжана разработали «яркие и чистые» ТФЭ на основе широкозонных полупроводниковых квантовых точек, выращенных на экономичных кремниевых подложках.

Квантовые точки изготовлены из нитрида галлия и нитрида алюминия (GaN/AlN) и имеют однофотонную чистоту 95 % при криогенных температурах, а также сохраняют превосходную устойчивость при более высоких температурах с чистотой 83 % при комнатной температуре.

ТФЭ также показывает скорость излучения фотонов до 1 МГц при сохранении чистоты одиночных фотонов более 50%. «Такая яркость вплоть до комнатной температуры возможна из-за уникальных электронных свойств квантовых точек GaN/AlN, которые сохраняют однофотонную чистоту из-за ограниченного спектрального перекрытия с конкурирующими соседними электронными возбуждениями», — говорит Стахурски, доктор философии, исследовавший эти квантовые системы.

«Очень привлекательной особенностью квантовых точек GaN/AlN является то, что они принадлежат к семейству III-нитридных полупроводников, а именно тому, что стоит за революцией в твердотельном освещении (белые и синие светодиоды), важность которой была признана Нобелевской премией по физике в 2014 году. », — констатируют исследователи. «В настоящее время это второе семейство полупроводников с точки зрения потребительского рынка сразу после кремния, которое доминирует в микроэлектронной промышленности. Таким образом, III-нитриды выигрывают от прочной и зрелой технологической платформы, что делает их потенциально интересными для разработки квантовых приложений."

Важным будущим шагом будет проверка того, может ли эта платформа излучать один фотон и только один за импульс лазера, что является необходимым условием для определения ее эффективности.

«Поскольку наши электронные возбуждения демонстрируют время жизни при комнатной температуре всего от 2 до 3 миллиардных долей секунды, частота одиночных фотонов может достигать нескольких десятков МГц», — заявляют авторы. «В сочетании с резонансным лазерным возбуждением, которое, как известно, значительно улучшает однофотонную чистоту, наша платформа квантовых точек может представлять интерес для реализации распределения квантовых ключей при комнатной температуре на основе истинного SPE, в отличие от существующих коммерческих систем, которые работают с ослабленные лазерные источники».

Исследование было опубликовано в журнале Light: Science & Applications.