Avanzamenti nella fotonica quantistica con hBN

La fotonica quantistica integrata è un campo che unisce dispositivi miniaturizzati basati sulla luce con le proprietà uniche degli emettitori quantistici. Questi dispositivi possono essere usati per compiti come comunicazione sicura e calcolo avanzato. Uno dei materiali promettenti per costruire questi dispositivi è il Nitruro di Boro Esagonale (HBN). Questo materiale è utile perché riesce a guidare bene la luce e ha basse perdite energetiche, soprattutto nella gamma della luce visibile.

#Cos'è il nitruro di boro esagonale?

Il nitruro di boro esagonale è un materiale speciale composto da atomi di boro e azoto disposti in una struttura a nido d'ape. Questa struttura gli conferisce proprietà ottiche uniche, permettendogli di trasmettere la luce in modo efficace e produrre fotoni singoli, essenziali per applicazioni quantistiche. L'hBN può essere stratificato con altri materiali in un processo chiamato integrazione di van der Waals, aprendo molte possibilità di fabbricazione.

#La sfida con gli emettitori quantistici

Una delle caratteristiche chiave dell'hBN è che contiene difetti puntuali, che possono agire come emettitori di fotoni singoli (SPE). Queste sono piccole imperfezioni nella struttura dell'hBN in cui la luce può essere emessa come fotoni singoli. Tuttavia, trovare e controllare questi emettitori all'interno del materiale può essere difficile, poiché appaiono in modo casuale. Questa casualità rende difficile creare dispositivi coerenti e scalabili perché gli emettitori potrebbero non essere sempre dove servono.

#Generare emettitori quantistici con fasci di elettroni

I recenti progressi hanno mostrato che è possibile creare questi emettitori di fotoni singoli in modo controllato usando fasci di elettroni. Direzionando un fascio di elettroni in punti specifici dell'hBN, i ricercatori possono generare questi emettitori in posizioni predeterminate. Questo metodo consente di avere un controllo migliore sul numero di emettitori creati e sulla loro posizione all'interno del materiale.

#Combinare tecniche per dispositivi fotonici

Utilizzando questa tecnica del fascio di elettroni in combinazione con i metodi tradizionali di fabbricazione delle guide d'onda in hBN, i ricercatori sono riusciti a creare circuiti fotonici quantistici di base. Il processo inizia con la realizzazione delle guide d'onda, strutture che guidano la luce. Una volta che le guide d'onda sono pronte, il passo successivo è usare il fascio di elettroni per incorporare gli emettitori di fotoni singoli nella Guida d'onda.

#Fabbricazione delle guide d'onda

Per fabbricare queste guide d'onda, i cristalli di hBN di alta qualità vengono posizionati su un substrato di vetro. Lo spessore di questi cristalli può variare da 60 a 220 nanometri. Una volta pronti, i ricercatori usano la Litografia a fascio di elettroni, una tecnica per modellare il materiale, per creare la forma della guida d'onda. Dopo questo, si aggiunge uno strato di alluminio, che aiuta nel successivo processo di incisione.

Il processo di incisione rimuove le sezioni indesiderate dell'hBN, lasciando la struttura della guida d'onda desiderata. Una volta rimossa la maschera di alluminio, le guide d'onda sono pronte per i passi successivi. L'ultimo passo comporta l'irradiazione di posizioni specifiche sulla guida d'onda con il fascio di elettroni per creare gli emettitori di fotoni singoli.

#Accoppiamento della luce nelle guide d'onda

Una volta che le guide d'onda sono fabbricate e gli emettitori di fotoni singoli sono incorporati, il compito successivo è studiare come la luce si accoppia dentro e fuori dalla guida d'onda. La guida d'onda consente un trasferimento efficiente di luce dallo spazio libero al modo guidato, e viceversa. Questa funzionalità è fondamentale per garantire che l'emissione di fotoni singoli possa essere rilevata in seguito.

Le prestazioni della guida d'onda vengono misurate controllando quanta luce esce da essa quando viene eccitata da un laser. I ricercatori possono osservare l'intensità della luce in diversi punti lungo la guida d'onda, utilizzando attrezzature speciali come telecamere e fotodetettori per raccogliere questi dati.

#Caratterizzazione degli emettitori di fotoni singoli

Dopo aver confermato che la guida d'onda funziona come previsto, i ricercatori conducono test per caratterizzare gli emettitori di fotoni singoli creati nell'hBN. Questo comporta l'eccitazione degli emettitori con luce laser e la misurazione della luce emessa per comprendere le sue proprietà. Cercano linee di emissione specifiche che indicano la presenza di fotoni singoli, oltre ad altre caratteristiche che dimostrano quanto bene la luce venga emessa.

Durante i test vengono utilizzate diverse configurazioni per vedere quanto bene gli emettitori possono accoppiarsi con la guida d'onda. I ricercatori analizzano la luce emessa in diverse condizioni per assicurarsi che gli emettitori funzionino come previsto.

#Vantaggi delle guide d'onda in hBN

Il principale vantaggio dell'utilizzo delle guide d'onda in hBN per la fotonica quantistica è che permettono sistemi integrati che possono funzionare a temperatura ambiente. Questo è importante perché molti dispositivi quantistici richiedono temperature estremamente basse per funzionare correttamente. La capacità di lavorare a temperatura ambiente amplia le potenziali applicazioni per questi dispositivi, rendendoli più pratici per l'uso quotidiano.

Le caratteristiche del materiale hBN contribuiscono anche a una buona prestazione in termini di trasmissione della luce e qualità dei fotoni emessi. La ricerca mostra risultati promettenti, dimostrando che i dispositivi realizzati con hBN possono guidare efficacemente i fotoni singoli.

#Direzioni future

Sebbene i risultati iniziali siano incoraggianti, ci sono ancora molti miglioramenti da fare. C'è bisogno di un miglior controllo sulla posizione degli emettitori di fotoni singoli, oltre a ottimizzare il design delle strutture fotoniche per migliorare le prestazioni. Inoltre, i ricercatori stanno cercando di perfezionare i metodi utilizzati per la generazione degli emettitori in modo da ottenere risultati più coerenti.

Si spera che, avanzando in questi metodi, la praticità dell'utilizzo dell'hBN per costruire dispositivi fotonici quantistici possa essere migliorata, aprendo la strada allo sviluppo di nuove tecnologie nella comunicazione, nel calcolo e oltre.

#Conclusione

In sintesi, l'integrazione degli emettitori di fotoni singoli nelle guide d'onda in hBN è un passo significativo nel campo della fotonica quantistica. Combinando materiali avanzati con tecniche di fabbricazione precise, i ricercatori stanno aprendo porte a nuove possibilità nella tecnologia quantistica. Man mano che il campo progredisce, è probabile che ci siano sviluppi entusiasmanti che potrebbero avere un grande impatto su vari settori e applicazioni.