科學家們近期發展出一種全新的半導體量子點製造方式，這些量子點能夠更快且更可靠地發射單光子，可能對量子通信和光子量子計算等技術的進步具有重要意義。這項研究專注於改進量子點，這些微小的半導體結構能夠在激光激發下限制電子和空穴，並在精確的波長下發光。這些量子點被認為是依賴單光子或糾纏光子對的量子技術的重要組件。
現有的製造方法往往會產生有重大缺陷的量子點。傳統的生長技術通常會產生高密度且結構不規則的量子點，這使得孤立單光子發射器變得困難。此外，這些方法還可能引入電子噪聲和更長的發射時間，降低性能。新的研究提出了一種替代的製造策略，使研究人員能夠創建更對稱的量子點，具有較低的密度和更快的光子發射速度。
這項研究由巴西坎皮納斯州立大學的Gleb Wataghin物理研究所的Saimon Filipe Covre da Silva領導的國際合作進行。研究表明，使用鋁鎵砷（AlGaAs）中生長的鋟鎵砷（InGaAs）量子點可以實現低表面密度、快速光子發射和高結構對稱性，這些都是需求單光子和糾纏光子源的關鍵特徵。
在許多量子光學實驗中，依賴於使用Stranski-Krastanov方法生長的鋟鎵砷量子點。雖然這種方法有效，但它通常會產生高表面密度、結構變異性和約一納秒的輻射壽命。此外，它還會留下薄的濕潤層，這可能會引入不必要的電子效應。為了解決這些問題，研究人員使用了一種稱為局部液滴蝕刻的技術。在這一過程中，小金屬液滴在晶體生長過程中形成，從而在表面上創造出納米空腔。
研究團隊用極薄的鋟鎵砷層填充這些納米空腔，厚度約為一納米。這種設計減少了結構應變並改善了光學性能，顯示出通過在鋁鎵砷中填充約一納米厚的鋟鎵砷層，可以獲得幾乎不受機械變形影響且具有卓越光學性能的量子點。測量顯示，量子點的表面密度極低，約為每平方微米0.2至0.3個量子點，使得研究人員能夠更輕鬆地孤立個別發射器。
新結構還產生了更快的光子發射，輻射壽命約為300皮秒，這是傳統方法生長的類似量子點的三倍短。另一個關鍵改進是發射光的波長。通過調整鋟的濃度，研究人員能夠在低溫下將發射波長調整在780至約900納米之間。這一範圍對於集成光子學特別重要，因為隨著波長增加，AlGaAs結構中的光學損失會減少。這種光譜範圍也與已經為傳統InGaAs量子點開發的光學技術相容。
研究人員還檢查了細結構劈裂，這是一個決定量子點是否能夠生成極化糾纏光子對的參數。測得的值與類似系統中的最佳結果相當，顯示出在量子加密和量子網絡等應用中的強大潛力。這些新型量子點低密度、高對稱性、快速發射和擴展波長的組合，使其在集成量子光子學中具有特別的前景。這項研究已發表於《Nano Letters》期刊。
