単一光子放出用に構築された量子ドット

ブラジルのカンピーナス州立大学グレブ・ワタギン物理研究所の科学者たちは、単一光子を放出する半導体量子ドットを製造する方法を開発した。このステップは量子通信と光量子コンピューティングをサポートする可能性がある。研究チームは、局所液滴エッチングと呼ばれる製造技術を使用して、より低い密度と対称性を備えた量子ドットを作成し、安定した単一光子の放出を可能にしました。

量子ドットは、電子と正孔を閉じ込めるナノスケールの半導体構造です。レーザーによって励起されると、特定の波長で光を放射します。これらは、個々の光子またはもつれた光子のペアを解放できるため、通信システムや光量子プロセッサなどの量子技術のコンポーネントとなります。

多くの実験は、Stranski-Krastanov 成長法によって生成されたインジウム ガリウム ヒ素量子ドットに依存しています。このプロセスでは、基板の格子構造に従って、1 つの結晶層が別の結晶層の上に成長します。この技術では表面密度や構造にばらつきのある量子ドットが生成されることが多く、光子エミッタの分離が困難になります。また、ドットは約 1 ナノ秒の放射寿命を示し、電子効果をもたらす可能性のある湿潤層を残します。

これらの問題に対処するために、研究者らは結晶成長中に局所的な液滴エッチングを使用しました。金属液滴が表面に形成され、ナノキャビティが形成されます。これらの空洞は制御された方法で充填され、密度を調整できる量子ドットが生成されます。

ナノキャビティは、厚さ約 1 ナノメートルのインジウム ガリウム ヒ素の薄層で満たされました。これにより歪みが軽減され、光学的動作が改善されました。測定の結果、表面密度は 1 平方マイクロメートルあたり約 0.2 ～ 0.3 個の量子ドットであり、エミッタの分離が容易であることがわかりました。

この構造はまた、より速い光子の放出も生成した。放射寿命は約300ピコ秒と測定され、これは従来の成長方法を使用して生成された量子ドットよりも約3倍短い。

研究者らはまた、放出される光の波長を制御するためにインジウム濃度を調整した。発光は極低温で約780～900ナノメートルの間で調整でき、この範囲はフォトニックシステムで使用される。

研究チームはまた、量子ドットが偏光もつれ光子対を生成できるかどうかを決定するパラメータである微細構造分割も調査した。測定された値は、同様のシステムで報告された結果と同等であり、量子暗号および量子ネットワークでの使用を示しています。