Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de cavidad óptica que mejora la luz que tiene solo 200 nanómetros de alto y 100 nanómetros de ancho. Su nuevo sistema a nanoescala representa un paso hacia fuentes de fotones individuales más brillantes, lo que podría ayudar a impulsar el cifrado basado en cuántica y un verdaderored segura y preparada para el futuro.
Las técnicas de cifrado cuántico, que se consideran probablemente centrales para futuros métodos de cifrado de datos, utilizan fotones individuales como una forma extremadamente segura de codificar datos. Una limitación de estas técnicas ha sido la capacidad de emitir fotones a altas velocidades ".Una de las figuras de mérito más importantes para las fuentes de un solo fotón es el brillo, o los fotones recolectados por segundo, porque cuanto más brillante es, más datos se pueden transmitir de forma segura con cifrado cuántico ", dijo Yousif Kelaita, Nanoscale y Quantum Photonics Lab, Universidad de Stanford, California.
en el diario Materiales ópticos expresos , de The Optical Society OSA, Kelaita y sus colegas muestran que su nueva nanocavidad aumentó significativamente el brillo de emisión de los puntos cuánticos: partículas semiconductoras a escala nanométrica que pueden emitir fotones individuales.
Los investigadores crearon la nueva nanocavidad mediante el uso de plata altamente reflectante para cubrir los lados de un pilar semiconductor a nanoescala colocado sobre un sustrato. La plata hace que la luz rebote dentro del nanopilar, convirtiéndola en una cavidad óptica muy pequeña. Los investigadores dicenque el mismo concepto de diseño podría usarse para construir nanocavidades a partir de otros materiales que se adapten a diferentes emisores de fotones individuales.
Atrapando luz en un espacio pequeño
A escalas nanométricas, la luz interactúa con los materiales de formas únicas. Un ejemplo es el efecto Purcell, que mejora la eficiencia de emisión de un punto cuántico u otro emisor de luz confinado en una pequeña cavidad. Los sistemas que muestran la mejora de Purcell emitirán más fotones sobre uncantidad de tiempo dada, lo que podría permitir sistemas de encriptación cuántica que funcionan más rápido de lo que es posible ahora.
Lograr la mejora de Purcell se beneficia de cavidades extremadamente pequeñas porque la energía se transfiere entre el emisor de luz y la cavidad más rápidamente. También es deseable tener un factor de calidad suficientemente alto, lo que significa que el reflejo de la cavidad permite que la luz rebote durante un largo tiempohora.
"Demostramos un nuevo tipo de cavidad con un volumen de varios órdenes de magnitud más bajo que el estado actual de la técnica en sistemas de estado sólido", dijo Kelaita. "El sistema produce una fuerte mejora de Purcell y una alta eficiencia de recolección de luz al mismo tiempotiempo, lo que conduce a un aumento general en el brillo de la fuente de fotones individuales "
Cuando los investigadores probaron las nuevas nanocavidades, descubrieron que los puntos cuánticos colocados dentro de las nanocavidades emitían más fotones por segundo que los puntos cuánticos no ubicados dentro de dicha cavidad.
Debido a que las nanocavidades están abiertas en la parte superior, la luz emitida puede viajar directamente al aire. Las nanocavidades similares creadas anteriormente estaban cubiertas con un recubrimiento metálico que no era deseable para recoger los fotones emitidos. El perfil de emisión de las nuevas nanocavidades también coincide bien con el objetivo del microscopio estándarlentes, lo que permite que un alto porcentaje de la luz ingrese a la lente. Un desajuste entre el perfil de emisión y las lentes objetivo del microscopio ha causado una pérdida de luz problemática en los sistemas de nanocavidad desarrollados previamente.
haciendo la pequeña cavidad
El equipo utilizó una técnica de fabricación modificada para superar el desafío de recubrir los nanopilares con metal. Las nanoestructuras que son altas y delgadas tienden a experimentar lo que se denomina efectos de sombreado porque las técnicas de nanofabricación utilizan un proceso en el que el metal cae directamente sobre el dispositivocomo la nieve
"Si imagina que la nieve cae sobre un árbol, la nieve se adherirá a sí misma y se acumulará en una rama de manera que forme un ancho o montículo mayor que la rama misma", dijo Kelaita. "Esto también sucede".a medida que el metal se deposita encima de algo así como un pilar. A medida que el metal se aferra a sí mismo, crea un montículo más grande que el pilar debajo de él, evitando que el metal caiga debajo de las partes que eclipsan el pilar. Al final, este efecto de sombreado creaun espacio de aire en el dispositivo "
Para resolver este problema, los investigadores giraron e inclinaron simultáneamente la muestra para cubrir todos los lados del pilar a la vez. Incluso con este nuevo enfoque, tuvieron que tener cuidado con el ángulo en el que depositaban el metal para evitar formar una conexiónentre el revestimiento de metal, los lados del pilar y el metal en la parte superior. Si se formara una conexión, el paso final de quitar ultrasónicamente la tapa de metal en la parte superior sería difícil o imposible.
"Otros grupos que trabajan con metal deberían estar interesados en esta técnica porque este efecto de sombreado ocurre incluso para las características que están completamente encapsuladas en metal", dijo Kelaita.
Incluso mejores nanocavidades
Los investigadores ahora están trabajando para crear otros tipos de nanocavidades con características aún mejores. Por ejemplo, quieren intentar crear nanocavidades en diamante, lo que podría permitir que las fuentes de un solo fotón operen a temperatura ambiente, un requisito clave para incorporar cuánticacifrado en dispositivos de consumo.
También quieren combinar el conocimiento obtenido de este nuevo trabajo con un algoritmo de diseño inverso que desarrollaron recientemente para diseñar automáticamente dispositivos fotónicos integrados en chips de silicio. Con el algoritmo, los ingenieros especifican la función deseada y el software proporciona instrucciones para hacer una estructuraque realiza esa función.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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