Физики очистили спектр однофотонных источников на плазмонах

Физики нашли способ увеличить квантовую эффективность однофотонного источника на основе плазмонного резонанса. Они разработали многослойную структуру на полупроводниковой подложке и проверили, как число и спектр излучаемых фотонов зависят от внешнего электрического поля. Результаты экспериментов опубликованы в статье для журнала Nature Photonics.

Одна из главных технологических проблем увеличения размерности квантовых вычислителей на фотонах — это однофотонные источники. Идеальный источник должен излучать как можно больше одиночных и одинаковых фотонов в момент времени. А одинаковость фотонов означает, что они должны иметь одинаковые длины волн, поляризацию и другие характеристики. Добиться высоких значений сразу всех параметров очень сложно, как и создать несколько одинаковых источников для масштабирования системы.

Источники фотонов делают на основе нелинейных эффектов в объемных кристаллах, используют квантовые точки, разные метаструктуры и стараются интегрировать источники на полупроводниковый чип, иногда даже закручивая их в кольца.

Научная группа под руководством Вэй Бо Гао (Weibo Gao) из Центра квантовых технологий Сингапура показала, что для излучения одиночных фотонов можно использовать плазмонную структуру на подложке из полупроводника. Авторам удалось не только экспериментально создать и протестировать такую структуру, но и получилось улучшить спектр ее излучения приложением дополнительного напряжения.

Итоговый спектр фотонного источника, то есть распределение излучения по длинам волн, напрямую влияет на точность вычислений, в которых эти фотоны будут задействованы. Поэтому часто для получения узкого спектра используют наноструктуры, ограниченные во всех направлениях — квантовые точки. Обычно они находятся внутри столбиков, которые очень точно выращивают на полупроводниковых подложках. С другой стороны, в случае двумерного материала достаточно создать какую-то локализацию на его поверхности, чтобы рассматривать ее как источник фотонов.

Авторы использовали металлический массив наноямок, на котором размещался еще слой диэлектрика из гексагонального нитрида бора, а сверху все это покрывал монослой селенида вольфрама. Вся структура была собрана на подложке из кремния с диоксидом.

При облучении образцов постоянным лазерным излучением на длине волны 726 нанометров двумерный селенид вольфрама начинает переизлучать фотоны. Наличие структуры из золота под ним усиливает это излучение за счет плазмонного резонанса — на этой же длине волны накачки в металлическом слое возникают колебания кристаллической решетки, которые усиливают свечение селенида вольфрама в определенных точках структуры. Сканирование поверхности показало, что большее усиление заметно в узлах структуры — именно там возникает самая удачная конфигурация для плазмонного резонанса. Интенсивность сигнала в резонансных областях оказалась в 21 раз больше, чем в нерезонансных.

Для проверки одинаковости (неразличимости) фотонов, ученые проверяли, насколько хорошо могут интерферировать между собой фотоны, которые излучает источник. Для этого один фотон задерживают, отправляя по более длинному пути, так, чтобы он встретился со следующим за ним фотоном. Встречаются фотоны на светоделителе и, в случае неразличимости, улетают вдвоем в один из выходов светоделителя. На каждом выходе стоит детектор и регистрирует приходящие фотоны.

Функция корреляции показывает, насколько часто срабатывают сразу два детектора — если они перестали кликать одновременно, значит фотоны проинтерферировали и улетают либо в один детектор, либо в другой, но не в оба сразу. И на графике функции от времени можно видеть провал. В идеале он должен опускаться в ноль, но в реальных экспериментах этого не происходит, и поэтому физики характеризуют качество фотонов тем, насколько низко смог опуститься этот график. Авторы получили падение корреляционной функции от 1 до 0,18. Если минимальное значение оказывается меньше 0,5, то можно говорить о том, что сигнал источника действительно однофотонный, как и получилось в эксперименте.

Одна из причин плохой неразличимости связана со спектром излучаемых фотонов. В авторской схеме энергия света, которым облучают структуру, превращается не только в энергию излучаемых одиночных фотонов, но и передается кристаллической решетке, которая начинается колебаться и меняет спектр излучения. Чтобы этого избежать, авторы попробовали прикладывать напряжение ко всей структуре. Наличие внешнего электрического поля позволяло смещать зарядовое облако, возникающие из-за колебаний, подальше от области образования одиночных фотонов.

Физики протестировали разные напряжение по модулю и по знаку, и заметили, что отрицательные напряжения порядка одного вольта улучшают картину интерференции. При этом интенсивность излучения возрастает, а спектр избавляется от широкого хвоста, который возникал из-за нерадиационной составляющей.

Авторы отмечают, что помимо описанного применения прием с перераспределением зарядов с помощью электрического поля можно применять и к другим слоистым структурам для управления транспортом носителей заряда.

Эффект плазмонного усиления используют не только для генерации одиночных фотонов. Например, его применяют для увеличения эффективности солнечный батарей, создания лазеров и для изменения свойств графена.