Einzelne Photonen für Quantentechnologien aussenden

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Émission de photons uniques par une boîte quantique GaN/AlN. Crédit: J. Stachurs

Émission de photons uniques par une boîte quantique GaN/AlN. Crédit: J. Stachurski (EPFL)

Um Fortschritte in der Quantentechnologie zu erzielen, müssen wir nicht-traditionelle Lichtquellen entwickeln, die jeweils nur ein einziges Photon aussenden können und dies auf Abruf tun. Wissenschaftler der EPFL haben solche "Einzelphotonen-Emitter" entwickelt. Sie können bei Raumtemperatur betrieben werden und basieren auf Quantenboxen, die auf billigen Siliziumsubstraten synthetisiert werden.

Die Entwicklung nicht-herkömmlicher Lichtquellen, die bei Bedarf genau ein Photon auf einmal emittieren können, ist eine der Hauptanforderungen der Quantentechnologie. Die erste Demonstration eines solchen "Einzelphotonen-Emitters" oder SPE stammt aus den 1970er Jahren. Doch ihre begrenzte Zuverlässigkeit und Effizienz haben eine nennenswerte praktische Anwendung gebremst.

Herkömmliche Lichtquellen, wie Glühbirnen oder LEDs, senden Photonenpakete aus. Mit anderen Worten: Ihre Wahrscheinlichkeit, jeweils nur ein Photon zu emittieren, ist sehr gering. Laserquellen können einzelne Photonenströme emittieren, aber nicht auf Abruf, d. h. manchmal wird zum gewünschten Zeitpunkt kein Photon emittiert.

Der Hauptvorteil von SPEs ist, dass sie diese beiden Vorteile kombinieren: ein einzelnes Photon emittieren und dies auf Abruf tun. Mit anderen Worten: Ihre Fähigkeit, einzelne Photonen zu emittieren, ist besonders hoch und sie können sie in einem ultraschnellen Tempo aufrechterhalten. Damit eine Lichtquelle als SPE bezeichnet werden kann, muss sie also mehr als 50% Einzelphotonen emittieren. Natürlich gilt: Je näher man an 100% herankommt, desto idealer ist das SPE.

Unter der Leitung von Nicolas Grandjean haben Forscherinnen und Forscher der EPFL "helle und reine" SPEs entwickelt, die auf Halbleiter-Quantenboxen mit großer Bandlücke basieren, die auf billigen Siliziumsubstraten synthetisiert werden.

Die Quantenboxen bestehen aus Galliumnitrid und Aluminiumnitrid (GaN/AlN). Diese zeichnen sich durch einen Anteil an emittierten Einzelphotonen von 95% bei kryogenen Temperaturen aus, wobei sie auch bei höheren Temperaturen mit einem Anteil von 83% bei Raumtemperatur eine hervorragende Beständigkeit aufweisen.

Das SPE weist außerdem Photonenemissionsraten von bis zu 1 MHz auf, wobei der Anteil der emittierten Einzelphotonen bei über 50% bleibt. "Eine solche Helligkeit bis Raumtemperatur ist aufgrund der einzigartigen elektronischen Eigenschaften der GaN/AlN-Quantenboxen möglich, die den signifikanten Anteil an emittierten Einzelphotonen aufgrund der begrenzten spektralen Überlappung mit dem benachbarten elektronischen Zustand erhalten", erklärt der Doktorand Johann Stachurski, der diese Quantensysteme untersucht hat.

"Eine sehr interessante Eigenschaft der GaN/AlN-Quantenboxen ist, dass sie zur Familie der III-Element-Nitrid-Halbleiter gehören. Diese Familie ist der Ursprung der Festkörperbeleuchtungsrevolution (blaue und weiße LEDs), deren Bedeutung 2014 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde", so die Forscher. "Heute ist es die zweitgrößte Halbleiterfamilie in Bezug auf den Verbrauchermarkt gleich nach Silizium, das die Mikroelektronikindustrie dominiert. In dieser Hinsicht profitieren die Element-III-Nitride von einer soliden und ausgereiften Technologieplattform, was ihnen ein hohes Potenzial für die Entwicklung von Quantenanwendungen verleiht."

Ein nächster wichtiger Schritt wird sein, zu sehen, ob diese Plattform ein einzelnes Photon pro Laserpuls emittieren kann, was eine wesentliche Voraussetzung für die Bestimmung ihrer Effizienz ist.

"Da unsere elektronischen Anregungen bei Raumtemperatur nur eine Lebensdauer von 2 bis 3 Milliardstel Sekunden haben, könnten Einzelphotonenströme von mehreren zehn MHz erreicht werden", so die Autoren. "In Kombination mit der resonanten Laseranregung, von der bekannt ist, dass sie den Anteil der emittierten Einzelphotonen erheblich verbessert, könnten diese Quantenboxen die Implementierung von Plattformen für die Raumtemperatur-Quantenkryptographie ermöglichen, die auf einer echten SPE basieren, im Gegensatz zu den derzeitigen kommerziellen Systemen, die mit gedämpften Laserquellen arbeiten."

Referenzen

Johann Stachurski, Sebastian Tamariz, Gordon Callsen, Raphaël Butté, Nicolas Grandjean. Single photon emission and recombination dynamics in self-assembled GaN/AlN quantum dots. Light: Science & Application 28 April 2022. DOI: 10.1038/s41377’022 -00799-4


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