Однофотонный излучатель научили работать при комнатной температуре

С помощью использования одиночных дефектов в полупроводниках удалось добиться испускания отдельных фотонов при комнатной температуре. Для детального описания механизма излучения ученые из МФТИ и Университета Зигена рассмотрели динамику заполнения энергетических электронных уровней на этих дефектах. Исследование опубликовано в Physical Review Applied.

Наличие источника отдельных фотонов, который будет работать от электрической сети, является необходимым условием, например, для работы квантового компьютера. На испускании одиночных фотонов основаны механизмы передачи информации и квантовой криптографии. Однако все существующие сейчас генераторы с большим трудом могут быть применимы в реальных устройствах. Им не хватает устойчивости сигнала, они имеют слишком широкий спектр испускания и, главное, не могут работать при комнатной температуре. Само по себе испускание отдельных фотонов наблюдалось и при комнатной температуре, например при фотолюминесценции широко-зонных полупроводников с точечными дефектами, но управляемого механизма для такого процесса до настоящего момента предложено не было.

В своей работе группа исследователей из России и Германии рассмотрела новую модель испускания одиночных фотонов и предложила в качестве источника одиночных фотонов использовать кристалл алмаза, с азотной вакансией в качестве точечного дефекта. Такая примесь приводит к образованию дополнительного энергетического уровня внутри запрещенной зоны алмаза и является для него центром окраски. По словам авторов, процесс испускания фотонов на такой примеси состоит из трех основных стадий. 

Сначала на примесный энергетический уровень из зоны проводимости захватывается электрон. После этого для компенсации заряда на центре окраски из валентной зоны выдергивается дырка, но не на занятый электроном энергетический уровень, а на еще один специально образованный возбужденный уровень. На последнем этапе между двумя уровнями (основным уровнем с электроном, и возбужденным — с дыркой) происходит переход с испусканием фотона. Для того чтобы такой источник фотона работал, для каждого следующего испускания его необходимо «перезаряжать», то есть снова закачать электрон на основной примесный уровень центра окраски. И именно это позволяет излучать не непрерывный пучок света, а испускать отдельные фотоны.

Для изучения кинетики испускания одиночного фотона по такому механизму ученые использовали многоэлектронную модель центра окраски и рассчитали характерные времена для всех электронных и дырочных переходов в такой системе. Исследователям удалось показать, что кинетика испускания в первую очередь определяется концентрацией электронов и дырок в окрестности центра окраски. При этом частота испускания фотонов ограничивается временем жизни возбужденного примесного состояния.

Для подтверждения своей теоретической модели ученые численно смоделировали как механизм испускания отдельного фотона в этой системе, так и диод с дополнительными слоями полупроводников n- и p-типа, необходимыми для «перезарядки» такого источника. По словам исследователей, полученные численные результаты количественно согласуются не только с предложенной теоретической моделью, но и с экспериментальными данными для фотолюминесценции центров окраски, которые были известны ранее.

Ученые отмечают, что основное достоинство исследованного источника заключается в том, что он может управляемо работать при комнатной температуре. В дальнейшем такой механизм может быть использован и для совсем небольших полупроводниковых кристаллов и, в частности, квантовых точек. А недавно другая группа исследователей показала, что одиночные фотоны могут быть зарегистрированы не только специальными фотодетекторами или квантовыми системами, но и человеческим глазом.

Александр Дубов