Het kwantumlicht regelen bij kamertemperatuur met instelbare nanostructuren en lage spanning

De mogelijkheid om de kleur of emissiegolflengte van licht uit kwantumbronnen te regelen, is centraal in de ontwikkeling van veilige kwantumcommunicatienetwerken en fotonisch gebaseerd computergebruik. De meeste systemen die in staat zijn om kwantumlicht te afstemmen, vereisen echter extreme omstandigheden, bijvoorbeeld hoge spanningen, sterke magnetische velden en zelfs cryogene omgevingen.

Een nieuwe studie onder leiding van universitair hoofddocent Dong Zhaogang van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) heeft een manier gevonden om substantiële afstemming van de golflengte te bereiken op omgevingsomstandigheden met kleine, instelbare nanostructuren en elektrische controle met een laag spanning. Deze ontdekking is gepubliceerd in Geavanceerde materialen in een papier getiteld “Elektrisch instelbare en gemoduleerde perovskiet-kwantum emitters via oppervlakte-verbeterde Landau-demping”.

Centraal in de studie staat een hybride systeem gemaakt van perovskiet-kwantumstippen (QD’s) en nanogestructureerde antimoon telluride (SB₂TE₃), een fase-veranderingsmateriaal met ongebruikelijke optische en elektronische eigenschappen. Het team van universitair hoofddocent Dong was in staat om een ​​opmerkelijke verschuiving in lichtemissie -energie van meer dan 570 MeV te bereiken, wat eerdere rapporten aanzienlijk overtreft waar slechts kleine aanpassingen mogelijk waren.

“Antimony telluride is een veelzijdig materiaal”, legt universitair hoofddocent Dong uit. “Het ondersteunt interbandplasmonics en kan schakelen tussen amorfe en kristallijne fasen, waardoor we kunnen regelen hoe het interageert met licht en elektronen. Wanneer we het combineren met zeer efficiënte perovskite QD’s, kunnen we nieuw gedrag ontgrendelen bij lichte emissie.”

Een van de belangrijkste mechanismen die de doorbraak ondersteunen, is een fysiek proces dat bekend staat als oppervlakte-verbeterde Landau-demping. In deze context genereren kleine resonanties op het oppervlak van kristallijne SB₂Te₃ nanodisks hoog-energy elektronen-zo-called hete elektronen-wanneer verlicht door licht. Deze hete elektronen worden vervolgens geïnjecteerd in nabijgelegen Perovskite QD’s, waardoor de energieniveaus van waaruit ze licht uitzenden. Dit leidt tot een merkbare verandering in de kleur van het uitgezonden licht, dat tot nu toe moeilijk te bereiken was bij kamertemperatuur.

“Landau -demping stelt ons in wezen in staat om collectieve oscillaties om te zetten in nuttige elektrische energie op nanoschaal,” zei universitair hoofddocent Dong. “Die energie kan dan veranderingen in de QD’s aansturen, waardoor we controle hebben over het licht dat ze uitzenden. Dit mechanisme staat centraal in hoe we zo’n grote verschuiving in de golflengte bereiken.”

Wat nog belangrijker is, het ontwerp van het team is niet alleen passief instelbaar. Wanneer een kleine DC -spanning wordt toegepast, kunnen ze de intensiteit en golflengte van de kwantumemissie dynamisch regelen. In het bijzonder resulteerde een spanningszwaai van –4 tot +4 volt resulteerde in een 22-voudige toename van de emissie-intensiteit, naast een gemoduleerde verschuiving in emissie-energie. Deze elektrische lage elektrische afstemming maakt het platform bijzonder aantrekkelijk voor geïntegreerde fotonische circuits.

Hoewel eerdere studies hadden geprobeerd om kwantumemitters te koppelen aan nanoantennes om emissiegolflengten aan te passen, was de schaal van de afstemmers bescheiden gebleven, meestal niet meer dan 10 tot 20 MeV. Het team van universitair hoofddocent Dong bereikte een order-of-toverheid verbetering.

“We hebben een spectrale verschuiving waargenomen van ongeveer 750 naar 570 nanometer, een van de grootste ooit gerapporteerd voor QD’s in een dergelijk platform. Het is een dwingend proof-of-concept voor de toekomst van herconfigureerbare kwantumlichtbronnen,” voegde hij eraan toe.

De veelzijdigheid van het systeem komt ook voort uit het unieke faseveranderingsgedrag van SB₂TE₃. In zijn amorfe vorm remt de atoomstoornis van het materiaal de injectie met heet-elektronen, wat resulteert in weinig of geen afstemming. Maar eenmaal gekristalliseerd, ondersteunt het gestructureerde oppervlak een efficiënte energieoverdracht naar de QD’s. Deze omkeerbare faseverandering biedt een ingebouwde schakelfunctie, thermisch of optisch geregeld, die de ontwikkeling van programmeerbare lichtbronnen in apparaten van de volgende generatie mogelijk kan maken.

Vooruitkijkend, is het team van plan hun werk verder te verfijnen door zich te richten op bronnen met één foton. Ze willen precieze, elektrisch herconfigureerbare systemen ontwikkelen die een veilige kwantumcommunicatie mogelijk kunnen maken, zelfs bij daglicht, waarbij achtergrondruis doorgaans interfereert met fotonendetectie.

Zei universitair hoofddocent Dong: “We verwachten dat het de real-world toepassingen aanzienlijk zal beïnvloeden. We hebben het over fotonische apparaten die zich kunnen aanpassen aan verschillende frequenties op aanvraag, waardoor de schaalbaarheid en prestaties van kwantumcommunicatiesystemen mogelijk kunnen worden verbeterd. Het is een stap dichter bij praktische, geïntegreerde kwantumfotonische circuits.”