Formazione e rilevamento di emettitori ottici in tempo reale

Alla ricerca di nuove tecniche per consentire la creazione di reti quantistiche, i ricercatori dell’Università di Harvard hanno sviluppato una nuova strategia basata sul laser per creare difetti materiali vicini alla superficie, costituiti da un singolo atomo, che possono essere utilizzati per formare qubit, le unità fondamentali dell’informatica quantistica. Il team ha inoltre scoperto un metodo in tempo reale per misurare e caratterizzare la formazione di emettitori ottici all'interno di cavità su scala nanometrica.

Il progresso, riportato su Nature Materials da Evelyn Hu e dal suo team della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), potrebbe consentire un migliore controllo sui tempi e sulla forza degli output dei qubit.

"Si tratta essenzialmente di materiali 'difettosi'; c'è l'assenza di un atomo, o di un posto vacante, in una struttura cristallina altrimenti perfetta", afferma Hu, autore senior dell'articolo e professore di fisica applicata e ingegneria elettrica alla Tarr-Coyne. MARI. "Una vacanza ha i suoi stati elettronici, ha una certa rotazione e ha il potenziale per emettere fotoni di una particolare lunghezza d'onda."

Questi difetti e le lunghezze d'onda della luce che emettono sono talvolta chiamati centri di colore perché possono conferire ai diamanti e ad altri cristalli bellissimi colori. Ma all’interno di una cavità su scala nanometrica in un materiale fotonico – che rifrangono, controllano o manipolano la luce – questi difetti possono agire come emettitori ottici di informazioni.

"Il nostro team è davvero interessato alla formazione di questi difetti e al modo in cui potrebbero comportarsi come qubit in una rete quantistica. L'accoppiamento di una serie di difetti nelle cavità nanofotoniche tramite l'entanglement consentirebbe la trasmissione di informazioni quantistiche", afferma Aaron Day, co-primo autore del documento. Lui e l'altro co-primo autore dell'articolo, Jonathan Dietz, sono entrambi dottorandi in fisica applicata. candidati nel laboratorio di Hu.

Tuttavia, fino ad ora, non esisteva alcun modo per controllare totalmente la posizione esatta degli emettitori ottici nelle cavità su scala nanometrica senza danneggiare il resto della struttura cristallina del materiale.

In genere, il processo per creare emettitori all'interno di cavità come questa – 100 volte più piccole della larghezza di un capello umano – richiede la distruzione della struttura cristallina di un materiale utilizzando ioni o laser con gap di banda inferiore. (Il gap di banda si riferisce alla quantità minima di energia richiesta per eccitare gli elettroni di un materiale in modo che possano condurre liberamente la corrente.) Ma le apparecchiature per l'impianto ionico non sono disponibili nella maggior parte dei laboratori. E Hu afferma che entrambe le tecniche convenzionali sono usi "a forza bruta" dell'energia cinetica che sono inefficienti e difficili da controllare - più simili alla sabbiatura che alla perforazione attenta.

"Per fare ciò che volevamo, sapevamo di dover sviluppare strumenti estremamente precisi", afferma Hu.

Il team paragona la loro soluzione a uno stilo e una sagoma, utilizzando un laser (lo stilo che scrive) e una cavità (la sagoma in cui si scrive) per formare e caratterizzare la formazione del posto vacante. "Volevamo farlo utilizzando impulsi di luce al di sopra della banda proibita" - contenenti più energia fotonica rispetto ai laser al di sotto della banda proibita - "per trasferire in modo più efficiente l'energia dallo 'stilo' del laser al 'modello' del materiale," Day dice.

Innanzitutto, Day e Dietz hanno fabbricato dispositivi a cavità nanofotonica in carburo di silicio di tipo commerciale in una camera bianca, uno sforzo lungo e scrupoloso. Quindi hanno eseguito esperimenti per tentare di creare emettitori ottici esattamente dove volevano all'interno delle cavità.

"All'inizio, i nostri impulsi laser facevano esplodere le nostre cavità, praticamente facendole esplodere", afferma Day, un risultato tutt'altro che ideale. "Avevamo bisogno di ridurre drasticamente l'energia del laser."

Attraverso tentativi ed errori, hanno determinato quanta energia era necessaria per creare l'emettitore desiderato preservando il resto della cavità senza causare una "esplosione". Hanno anche integrato nel loro sistema un ulteriore laser di "lettura", che consente loro di valutare la risonanza, o segnali fotonici, emessi da una cavità prima e dopo essere stata pulsata dal laser che forma il difetto.

"Una delle cose più interessanti che abbiamo scoperto è che potevamo monitorare la cavità, eseguire un impulso laser per creare l'emettitore ottico e quindi ottenere una lettura delle modifiche immediate alla cavità", afferma Day.