低密度量子点实现突破：光子发射速度提升三倍，发光波长拓展至900纳米

近日，科学家开发出一种制造半导体量子点的新方法，能够发射更快、更可靠的单光子，有望推动量子通信和光子量子计算等技术向前发展。

该研究致力于改进量子点——一种微小的半导体结构，能够限制电子和空穴，并在激光激发下发射特定波长的光。这些量子点被视为构建依赖单个光子或纠缠光子对的量子技术的有前景的基础元件。

然而，现有的制造方法往往会产生具有重大缺陷的量子点。传统的生长技术制造的量子点密度高、结构不规则，使得难以隔离单个光子发射器。它们还可能引入电子噪声和较长的发射时间，从而降低性能。

性能更优的量子光源

这项研究由巴西坎皮纳斯大学Gleb Wataghin物理研究所的Saimon Filipe Covre da Silva领导的国际合作完成。Silva表示：“我们的工作表明，在砷化铝镓（AlGaAs）中生产具有低表面密度、快速光子发射和高结构对称性的砷化铟镓（InGaAs）量子点是可能的，这些是按需单光子和纠缠光子源的基本特性。”

许多量子光学实验依赖于使用Stranski-Krastanov方法生长的砷化铟镓量子点，在这种方法中，一个晶体层根据衬底的晶格结构生长在另一层之上。虽然有效，但这种方法生产的量子点具有显著的局限性。它通常会导致高表面密度、结构可变性以及约一纳秒的辐射寿命。它还会留下一个薄的浸润层，可能引入不需要的电子效应。

为了克服这些问题，研究人员使用了一种称为局部液滴蚀刻的技术。在这个过程中，晶体生长期间会形成小的金属液滴，在表面产生纳米腔。然后可以以受控方式填充这些腔体，从而产生高度对称、密度可调的量子点。

用于量子的更快光子

研究团队用极薄的、约一纳米厚的砷化铟镓层填充了纳米腔。这种设计减少了结构应变并改善了光学性能。该研究者表示：“我们已经证明，通过在砷化铝镓中挖出的纳米腔中填充一层薄薄的（约1纳米厚）砷化铟镓，可以获得几乎无机械变形且具有优异光学性能的量子点。”

测量结果显示，其表面密度极低，约为每平方微米0.2至0.3个量子点，使研究人员能够更容易地隔离单个发射器。这种新结构还产生了快得多的光子发射。测得的辐射寿命约为300皮秒，比使用传统方法生长的类似量子点中观察到的寿命短约三倍。

另一个关键改进涉及发射光的波长。通过调整铟浓度，研究人员能够在低温下将发射光调节在780至约900纳米之间。Silva解释道：“这个范围对于集成光子学尤其重要，因为由于散射和吸收在AlGaAs结构中引起的光学损耗会随着波长的增加而降低。此外，这个光谱范围与已为传统InGaAs量子点开发的光学技术兼容。”

研究人员还检查了精细结构分裂，这是一个决定量子点能否产生偏振纠缠光子对的参数。测量值与在类似系统中获得的最佳结果相当，表明其在量子密码学和量子网络等应用方面具有巨大潜力。

Silva总结道：“低密度、高对称性、快速发射和扩展波长的结合，使这些新型量子点在集成量子光子学领域极具应用前景。”

该研究发表在《纳米快报》（Nano Letters）期刊上。

原文： https://interestingengineering.com/science/quantum-dots-faster-single-photon-sources