Kwantumstralers: meer dan kristalhelder tot puur enkelfoton

Fotonen, fundamentele lichtdeeltjes, brengen deze woorden naar je ogen via het licht van je computerscherm of telefoon. Fotonen spelen een sleutelrol in de volgende generatie kwantuminformatietechnologie, zoals kwantumcomputing en communicatie. Een kwantumstraler, die in staat is om een ​​enkel, puur foton te produceren, is de kern van dergelijke technologie, maar volgens KAIST-onderzoekers zijn er nog veel problemen die nog moeten worden opgelost.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Yong-Hoon Cho heeft een techniek ontwikkeld die de gewenste kwaliteitszender kan isoleren door de ruis rondom het doelwit te verminderen met wat ze een ‘nanoscale focus-pinspot’ hebben genoemd. ACS Nano.

“De focuspinspot op nanoschaal is een structureel niet-destructieve techniek onder een extreem lage dosis ionenbundel en is algemeen toepasbaar voor verschillende platforms om hun enkelvoudige fotonzuiverheid te verbeteren met behoud van de geïntegreerde fotonische structuren”, zegt hoofdauteur Yong-Hoon Cho van het Department of Natuurkunde bij KAIST.

Om enkele fotonen te produceren uit vastestofmaterialen, gebruikten de onderzoekers halfgeleider-kwantumdots met een brede bandafstand – vervaardigde nanodeeltjes met gespecialiseerde potentiële eigenschappen, zoals het vermogen om rechtstreeks stroom in een kleine chip te injecteren en om bij kamertemperatuur te werken voor praktische toepassingen. Door een kwantumpunt te maken in een fotonische structuur die licht voortplant en het vervolgens te bestralen met heliumionen, theoretiseerden onderzoekers dat ze een kwantumstraler konden ontwikkelen die de ongewenste ruisende achtergrond zou kunnen verminderen en op aanvraag een enkel, puur foton zou kunnen produceren.

Professor Cho legde uit: “Ondanks zijn hoge resolutie en veelzijdigheid onderdrukt een gefocusseerde ionenstraal typisch de optische eigenschappen rond het gebombardeerde gebied vanwege het hoge momentum van de versnelde ionenstraal. We concentreerden ons op het feit dat, als de gefocusseerde ionenstraal goed wordt gecontroleerd, alleen de achtergrondruis kan selectief worden geblust met een hoge ruimtelijke resolutie zonder de structuur te vernietigen.”

Met andere woorden, de onderzoekers concentreerden de ionenstraal op slechts een speldenprik, waardoor de interacties rond de kwantumstip effectief werden afgesneden en de fysieke eigenschappen werden verwijderd die een negatieve wisselwerking zouden kunnen hebben met de fotonzuiverheid die wordt uitgezonden door de kwantumstip en deze degraderen.

“Het is de eerste ontwikkelde techniek die het achtergrondgeluid kan doven zonder de optische eigenschappen van de kwantumemitter en de ingebouwde fotonische structuur te veranderen”, beweerde professor Cho.

Professor Cho vergeleek het met gestimuleerde emissiedepletiemicroscopie, een techniek die wordt gebruikt om het licht rond het focusgebied te verminderen, maar het brandpunt verlicht te laten. Het resultaat is een verhoogde resolutie van het gewenste visuele doel.

“Door het gefocuste, met ionenbundel bestraalde gebied aan te passen, kunnen we de doelemitter selecteren met een resolutie op nanoschaal door de omringende emitter te doven,” zei professor Cho. “Deze selectieve uitdovingstechniek op nanoschaal kan worden toegepast op verschillende materiële en structurele platforms en verder worden uitgebreid voor toepassingen zoals optisch geheugen en microdisplays met hoge resolutie.” Korea’s National Research Foundation en de Samsung Science and Technology Foundation ondersteunden dit werk.