Formação e detecção de emissores ópticos em tempo real

Buscando novas técnicas para permitir redes quânticas, os pesquisadores da Universidade de Harvard desenvolveram uma nova estratégia baseada em laser para criar defeitos materiais de átomo único e próximos à superfície, que podem ser usados ​​para formar qubits, as unidades mais fundamentais da computação quântica. A equipe também descobriu um método em tempo real para medir e caracterizar a formação de emissores ópticos dentro de cavidades em nanoescala.

O avanço, relatado na Nature Materials por Evelyn Hu e sua equipe na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), pode permitir um melhor controle sobre o tempo e a força das saídas de qubit.

"Esses são materiais essencialmente 'defeituosos'; há uma ausência de um átomo, ou uma lacuna, em uma estrutura cristalina de outra forma perfeita", diz Hu, autor sênior do artigo e professor Tarr-Coyne de física aplicada e de engenharia elétrica na MAR. “Uma vaga tem seus próprios estados eletrônicos, tem um certo spin e tem o potencial de emitir fótons de um determinado comprimento de onda”.

Esses defeitos e os comprimentos de onda de luz que eles emitem são às vezes chamados de centros de cores porque podem dar cores bonitas aos diamantes e outros cristais. Mas dentro de uma cavidade em nanoescala em um material fotônico – que refrata, controla ou manipula a luz – esses defeitos podem agir como emissores ópticos de informação.

"Nossa equipe está realmente interessada na formação desses defeitos e em como eles podem se comportar como qubits em uma rede quântica. Acoplar uma série de defeitos em cavidades nanofotônicas por meio de emaranhamento permitiria a transmissão de informações quânticas", diz Aaron Day, co-primeiro autor do papel. Ele e o outro co-autor do artigo, Jonathan Dietz, são Ph.D. em física aplicada. candidatos no laboratório de Hu.

No entanto, até agora, não havia como controlar totalmente a localização exata dos emissores ópticos em cavidades em nanoescala sem danificar o restante da estrutura cristalina do material.

Normalmente, o processo para criar emissores dentro de cavidades como esta – 100 vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano – requer a interrupção da estrutura cristalina de um material usando íons ou lasers abaixo do intervalo de banda. (Band gap refere-se à quantidade mínima de energia necessária para excitar os elétrons de um material para que eles possam conduzir corrente livremente.) Mas o equipamento de implantação de íons não está disponível na maioria dos laboratórios. E Hu diz que ambas as técnicas convencionais são usos de "força bruta" de energia cinética que são ineficientes e difíceis de controlar - mais como jateamento de areia do que perfuração cuidadosa.

"Para fazer o que queríamos, sabíamos que precisávamos desenvolver alguns instrumentos extremamente precisos", diz Hu.

A equipe compara sua solução a uma caneta e um gabarito, usando um laser (a caneta que faz a escrita) e uma cavidade (o gabarito no qual se escreve) para formar e caracterizar a formação da lacuna. "Queríamos fazer isso usando pulsos de luz acima do intervalo de banda" - contendo mais energia de fótons do que lasers abaixo do intervalo de banda - "para transferir energia com mais eficiência do 'caneta' do laser para o 'molde' do material", disse Day diz.

Primeiro, Day e Dietz fabricaram dispositivos de cavidade nanofotônica de carboneto de silício comercial em uma sala limpa, um empreendimento demorado e meticuloso. Em seguida, eles realizaram experimentos para tentar criar emissores ópticos exatamente onde queriam dentro das cavidades.

"No início, nossos pulsos de laser estavam explodindo nossas cavidades - explodindo-as, basicamente", diz Day, um resultado que estava longe do ideal. "Precisávamos reduzir drasticamente a energia do laser."

Por tentativa e erro, eles determinaram quanta energia e quanta energia era necessária para criar o emissor desejado, preservando o restante da cavidade sem causar uma "explosão". Eles também construíram em seu sistema um laser adicional de "leitura", permitindo-lhes avaliar a ressonância, ou sinais fotônicos, emitidos por uma cavidade antes e depois de ser pulsada pelo laser de formação de defeitos.

"Uma das coisas mais legais que descobrimos é que poderíamos monitorar a cavidade, fazer um pulso de laser para criar o emissor óptico e, em seguida, obter uma leitura das mudanças imediatas na cavidade", diz Day.