作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 氮化铝集成光子学中的量子发射器
具有集成量子发射器的可扩展蓝宝石上氮化铝光子集成电路
黑色插图:氮化铝的纤锌矿晶体结构(黄色:铝原子，黑色:氮原子)
蓝色插图:制作的QE集成波导的显微镜图像，其中光栅耦合器用于光纤边缘耦合期间的视觉反馈
学分:ACS光子学 量子发射器是一系列技术的关键，包括发光二极管、激光器，特别是光子量子通信和计算协议
到目前为止，科学家已经转向金刚石和碳化硅(碳化硅)开发单光子源，因为它们的宽带隙和优异的光学性能
然而，这些半导体的缺点被以集成方式操纵和路由这种量子发射以创建可扩展系统的尝试所凸显
现在，陆宗举和本杰明·林哈德，以及美国麻省理工学院和纽约城市大学的一组研究人员
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由麻省理工学院的德克·恩格隆德领导，已经在一种ⅲ-ⅴ族半导体氮化铝(AlN)中制造出量子发射器
AIN已经在光电子和高压电子行业建立了良好的基础
通过图案化嵌入量子发射器的氮化铝，他们能够将发射器直接集成到光子电路中
获得量子发射 卢将量子发射器描述为发射单光子的光源
“它们可能有电子自旋状态，可以形成一个量子位，或量子位，其中由量子发射器发射的单个光粒子携带量子位的信息，”他告诉物理学家
（同organic）有机
正是在使用光子集成电路路由量子位信息的过程中，钻石或碳化硅制造的量子发射器出现了问题，因为研究人员无法在低折射率衬底上生长这些材料作为薄膜，而光子波导的全内反射需要这种薄膜
解决这个问题的一个有希望的方法是将这些材料与其他已经作为光子集成电路平台很好地建立起来的材料相结合，以重新路由产生的光子，但是这在不同材料之间连接时引入了潜在的低效率
陆和他的同事们已经开发了一个蓝宝石上的氮化铝光子学平台，用于与其他材料(如金刚石)中研究得很好的量子发射器接口
“由于氮化铝在所有半导体材料中具有最宽的带隙之一，我们很自然地探索氮化铝本身是否可以成为量子发射器的宿主，这些量子发射器可以很容易地集成并连接到我们的蓝宝石上氮化铝光子学平台，”他说
加热到极致 研究人员从由生长在蓝宝石上的致密六方纳米氮化铝组成的晶片开始，用氦离子显微镜用氦离子轰击材料，产生晶格中缺少一个原子的空位缺陷，从而在材料中产生量子发射器
缺陷中心具有类似于原子的电子能级结构
因此，缺陷中心可以通过在其上照射激光而被激发到激发态，并且当它衰变回到基态时发射出单个光子
这种单光子发射具有“反聚束”特性——因为量子发射器一次只发射一个光子，光子发射之间有一段有限的时间间隔
半导体通常需要高结晶度以容纳稳定的量子发射器
问题是，当氮化铝薄膜生长在其他材料上时，例如像目前的工作中那样生长在蓝宝石上，它需要很厚才能建立高结晶度
结果，当研究人员研究用氦离子处理的薄膜，然后在700摄氏度退火形成量子发射器时，他们的光致发光测量被背景噪声淹没，掩盖了量子发射器的存在
幸运的是，他们发现在1000摄氏度的更高温度下进行高温处理可以将结晶度提高到足以分辨单光子发射器的程度
研究人员测量并表征了在1000摄氏度退火的样品中的量子发射器，这些样品在室温下工作时，显示出高发射计数率，同时保持了优异的单光子纯度
此外，通过用诸如分布式布拉格反射器、光谱滤波器、分束器和边缘或光栅耦合器等元件对样品进行构图，它们可以将量子发射器直接集成到光子电路中，显示出在广泛的基于氮化铝的器件中制造高质量单片集成的量子发射器的潜力
在建立了氮化铝量子发射器的优异光学特性后，研究人员接下来打算查明它们的确切来源，以了解它们是否具有可以被光学控制来充当量子位的自旋状态
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