Um der Quantentechnologie näher zu kommen, müssen wir nicht-klassische Lichtquellen entwickeln, die jeweils ein einzelnes Photon emittieren können, und zwar auf Abruf. Wissenschaftler der EPFL haben nun einen dieser „Einzelphotonenemitter“ entwickelt, der bei Raumtemperatur arbeiten kann und auf Quantenpunkten basiert, die auf kostengünstigen Siliziumsubstraten gewachsen sind.
Die Entwicklung nicht-klassischer Lichtquellen, die bei Bedarf genau ein Photon auf einmal emittieren können, ist eine der Hauptanforderungen der Quantentechnologien. Aber obwohl die erste Demonstration eines solchen „Einzelphotonen-Emitters“ oder SPE aus den 1970er Jahren stammt, stand ihre geringe Zuverlässigkeit und Effizienz einer sinnvollen praktischen Nutzung im Wege.
Herkömmliche Lichtquellen wie Glühlampen oder LEDs emittieren Bündel von Photonen auf einmal. Mit anderen Worten, ihre Wahrscheinlichkeit, jeweils ein einzelnes Photon zu emittieren, ist sehr gering. Laserquellen können Ströme einzelner Photonen emittieren, jedoch nicht auf Abruf, was bedeutet, dass manchmal überhaupt keine Photonen emittiert werden, wenn wir dies wünschen.
Der Hauptvorteil von SPEs besteht also darin, dass sie beides können: ein einzelnes Photon emittieren und dies nach Bedarf tun – oder, technischer ausgedrückt, ihre Einzelphotonenreinheit, die sie in einem ultraschnellen Zeitrahmen aufrechterhalten können. Damit sich eine Lichtquelle als SPE qualifizieren kann, muss sie eine Einzelphotonenreinheit von über 50 % aufweisen; natürlich, je näher an 100 %, desto näher kommen wir einer idealen SPE.
Forscher der EPFL unter der Leitung von Professor Nicolas Grandjean haben nun „helle und reine“ SPEs entwickelt, die auf Halbleiter-Quantenpunkten mit großer Bandlücke basieren, die auf kostengünstigen Siliziumsubstraten gewachsen sind.
Die Quantenpunkte bestehen aus Galliumnitrid und Aluminiumnitrid (GaN/AlN) und weisen eine Einzelphotonenreinheit von 95 % bei kryogenen Temperaturen auf, während sie auch bei höheren Temperaturen eine hervorragende Widerstandsfähigkeit mit einer Reinheit von 83 % bei Raumtemperatur beibehalten.
Das SPE zeigt auch Photonenemissionsraten von bis zu 1 MHz, während es eine Einzelphotonenreinheit von über 50 % beibehält. „Eine solche Helligkeit bis Raumtemperatur ist aufgrund der einzigartigen elektronischen Eigenschaften der GaN/AlN-Quantenpunkte möglich, die die Einzelphotonenreinheit aufgrund der begrenzten spektralen Überlappung mit konkurrierender benachbarter elektronischer Anregung bewahren“, sagt Stachurski, Ph.D . Student, der diese Quantensysteme untersuchte.
„Ein sehr ansprechendes Merkmal von GaN/AlN-Quantenpunkten ist, dass sie zur III-Nitrid-Halbleiterfamilie gehören, nämlich zu der Familie hinter der Festkörperbeleuchtungsrevolution (blaue und weiße LEDs), deren Bedeutung 2014 vom Nobelpreis für Physik anerkannt wurde “, sagen die Forscher. „Es ist heute die zweite Halbleiterfamilie im Hinblick auf den Verbrauchermarkt direkt nach Silizium, die die Mikroelektronikindustrie dominiert. Als solche profitieren III-Nitride von einer soliden und ausgereiften technologischen Plattform, was sie zu einem hohen potenziellen Interesse für die Entwicklung von Quantenanwendungen macht .“
Ein wichtiger zukünftiger Schritt wird darin bestehen, zu sehen, ob diese Plattform ein Photon und nur eines pro Laserpuls emittieren kann, was eine wesentliche Voraussetzung für die Bestimmung ihrer Effizienz ist.
„Da unsere elektronischen Anregungen bei Raumtemperatur eine Lebensdauer von nur 2 bis 3 Milliardstel Sekunden aufweisen, könnten Einzelphotonenraten von mehreren zehn MHz in Reichweite sein“, erklären die Autoren. „In Kombination mit resonanter Laseranregung, von der bekannt ist, dass sie die Einzelphotonenreinheit erheblich verbessert, könnte unsere Quantenpunktplattform für die Implementierung einer Quantenschlüsselverteilung bei Raumtemperatur auf der Grundlage einer echten SPE interessant sein, im Gegensatz zu aktuellen kommerziellen Systemen, die damit laufen gedämpfte Laserquellen.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
Johann Stachurski et al, Einzelphotonenemission und Rekombinationsdynamik in selbstorganisierten GaN/AlN-Quantenpunkten, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00799-4