Serce przyszłych urządzeń kwantowych można oświetlić za pomocą układów maleńkich pałeczek jarzeniowych opracowanych przez fizyków z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego.
Grupa z Wydziału Inżynierii Materiałów Elektronicznych (EME) wyprodukowała układ dziesiątek tysięcy nanodrutów z fosforku indu i nadała im świecenie poprzez dodanie do nich emiterów punktów kwantowych.
Chociaż podobne urządzenia tworzono już wcześniej, zespół opracował rewolucyjną metodę wytwarzania, która jest dokładna i wystarczająco szybka, aby umożliwić produkcję chipów na większą skalę.
„Nasza strategia polega na wytwarzaniu pojedynczych kropek kwantowych w nanodrutach, które charakteryzują się doskonałą jakością kryształów, parametrami optycznymi i bardzo wydajną wydajnością” – powiedziała pani Xiaoying Huang, pierwsza autorka książki. O przełomie donosi artykuł w czasopiśmie ACS Nanooraz członek EME i Centrum Doskonałości ARC w Transformacyjnych Systemach Optycznych (TMOS).
„Nasza metoda jest również znacznie szybsza – opracowaliśmy matrycę bezpośrednio w ciągu kilku godzin, podczas gdy innym grupom badawczym stosującym inne metody umieszczanie pojedynczych kropek kwantowych we wnękach może zająć tygodnie”.
Pojedyncze kropki kwantowe są bardzo małe (około 13 nanometrów średnicy), co zapewnia lepsze uwięzienie kwantowe źródeł pojedynczych fotonów, co jest niezbędne w urządzeniach opartych na kwantowym transferze informacji.
Kropki kwantowe były już wykorzystywane do wytwarzania pojedynczych źródeł fotonów, ale wyzwaniem było zapewnienie wystarczającej jasności tych małych źródeł światła w sposób umożliwiający nieuniknioną produkcję na dużą skalę. Powlekanie ich nanodrutami pozwala sprostać temu wyzwaniu: wewnętrzne odbicie nanodrutu tworzy wnękę optyczną wokół kropki kwantowej, zwiększając intensywność emitowanego światła.
Początkowo fizycy próbowali wytworzyć wnęki optyczne poprzez wytrawianie, czyli rzeźbienie kształtów z większego kawałka fosforku indu, w którym osadzono kropki kwantowe. Jednakże proces syntezy kropek kwantowych rozłożył losowo, co powodowało, że ich lokalizacja, a następnie wiercenie wokół nich wnęk było trudne i czasochłonne. Jakość również nie była wiarygodna, ponieważ grawerowanie pozostawiało nieregularności na bocznych ściankach otworów, co pogarszało emisję.
Zamiast tego zespół EME zdecydował się wywrócić swoje podejście do góry nogami i wyhodować nanodruty od podstaw, stosując proces zwany domieszkowaniem, w którym atomy osadzają się z pary. Chociaż zespół opanował już technikę precyzyjnie rosnących układów sześciokątnych nanodrutów fosforku indu, stanął przed wyzwaniem integracji pojedynczych kropek kwantowych w nanodrutach.
Pani Huang zbadała zarodkowanie kropelek, technikę polegającą na tworzeniu kropelek indu na prefabrykowanych nanodrutach.
Najpierw odkryłem, że na końcu i wzdłuż nanodrutu osadza się wiele kropelek. Jednak skracając nanodruty i skracając czas osadzania kropelek do zaledwie 0,25 s, udało się niezawodnie osadzić pojedynczą kroplę na każdym nanodrucie w matrycy o wymiarach 90 µm x 90 µm.
Krople te mają jedynie około 48 nanometrów średnicy i 13 nanometrów wysokości. Następnie krystalizuje się je w kropki kwantowe (o średnicy około 13 nanometrów i wysokości około 4 nanometrów) poprzez dodanie do pary fosforu i arsenu, przekształcając kroplę w fosforek arsenku indu, kropkę kwantową emitującą światło w bliskiej podczerwieni (około 900 długość fali nanometrowej). ).
Na koniec przeprowadzana jest kolejna runda osadzania fosforku indu, która otacza kropkę kwantową, zwiększając długość nanodrutów z 3 do 4 mikronów i ich średnicę z 50 do 400 nanometrów.
Produkt końcowy można wzbudzić czerwonym laserem, aby kropki kwantowe emitowały fotony jeden po drugim, a emisję tę wzmacnia pokryty nanodrut, który działa jak wnęka optyczna wokół kropki kwantowej.
W najlepszym wypadku, przy samym wzbudzeniu nanolasera, uzyskana emisja sięgała milionów liczb na sekundę, co oznaczało niski współczynnik grawitacji.(2)(0) o wartości 0,05, krótkim czasie życia wynoszącym 350 pikosekund i współczynniku wzmocnienia Purcella wynoszącym trzy.
Jednak nie wszystkie nanodruty działają optymalnie – chociaż wnęki nanodrutów można wytwarzać niezawodnie i wytwarzać spójne rezonanse z długością fali wnęki, długość fali emisji kropek kwantowych jest zmienna. Jest to wynikiem różnic w wielkości i składzie kropek kwantowych i może powodować niedopasowanie pomiędzy długością fali emisji kropki kwantowej a najsilniejszym trybem wnęki nanodrutu, ograniczając intensywność emisji.
Pani Huang wierzy, że może ulepszyć proces wytwarzania kropek kwantowych, aby zwiększyć niezawodność. Wykonuje również symulacje w celu zbadania różnych geometrii wnęk wzdłuż nanodrutów.
„Chociaż jest to trudne z produkcyjnego punktu widzenia, włączenie kropek kwantowych do geometrii takich jak pierścienie czy dyski może zapewnić nam znacznie wyższy współczynnik Purcella” – powiedziała.
„Całkowity miłośnik kawy. Miłośnik podróży. Muzyczny ninja. Bekonowy kujon. Beeraholik.”
More Stories
„Chroń się”: NSW Health twierdzi, że wraz ze zbliżaniem się zimy liczba przypadków grypy i Covid-19 rośnie
Doktor Lori Glaze pełni funkcję zastępcy ESDMD przez sześciomiesięczną kadencję
Zobacz olśniewające nowe zdjęcie wykonane przez Hubble'a, przedstawiające słońce podobne do Słońca rodzącego się w chmurze