Lo sviluppo di dispositivi nanofotonici che si basano sulla generazione, manipolazione e rivelazione di singoli fotoni è un passaggio fondamentale per la realizzazione dei futuri computer quantistici, la cui logica si baserà non più su bits classici, ma su bits quantistici (QuBits). Tra i vari metodi proposti per la realizzazione dei QuBits vi sono i punti quantici (Quantum Dots - QDs) di materiale semiconduttore cresciuti per epitassia, sistemi in cui i portatori di carica confinati quantisticamente nelle tre dimensioni realizzano un "atomo artificiale" di dimensioni nanometriche otticamente attivo. Tra le importanti proprietà di queste strutture, le più rilevanti riguardo l'emissione e la manipolazione di singoli fotoni sono i forti effetti eccitonici e la facile integrabilità in dispositivi a semiconduttore. QDs di InAs cresciuti in materiale GaAs, inoltre, sono altamente compatibili con le attuali tecnologie elettroniche e fotoniche, grazie alla possibilità di sintonizzare la lunghezza d'onda dei fotoni emessi dai QDs nella finestra ottica delle telecomunicazioni nell'infrarosso. I campi di applicazione futuri dei sistemi quantistici sono molti ampi, ma alcuni dispositivi commerciali basati sui punti quantici per la crittografia quantistica sono già in fase di produzione. [1-2]
Presso l'Istituto IMEM-CNR di Parma i QDs sono preparati utilizzando la tecnica di Epitassia da Fasci Molecolari (MBE). Per agire come sorgenti di singolo fotone, le nanostrutture devono rispondere a stringenti requisiti quali la bassa densità (pochi QDs per micron quadrato), l'elevata purezza e il controllo sui livelli di drogaggio del materiale semiconduttore: tali richieste rendono la MBE la tecnica migliore per la realizzazione di queste strutture. E' stato dimostrato che l'emissione dei singoli punti quantici può essere sintonizzata nelle finestre ottiche a 1.3 micron e, potenzialmente, 1.55 micron. [3-4]
Inoltre, in collaborazione con il gruppo dell'Università di Valencia guidato dal Prof. Juan P. Martinez-Pastor è stato dimostrato che, utilizzando la tecnica interferometrica Hanbury-Brown and Twiss (HBT) e illuminando i QDs con fasci laser di diversa lunghezza d'onda e a bassa potenza, è possibile rivelare simultaneamente singoli fotoni emessi a due diverse energie (due colori) da un singolo punto quantico di InAs. Questo ha permesso di proporre una nuova architettura per uno degli elementi base della logica computazionale (porta NAND)[5].
Questo risultato è stato recentemente selezionato per le "Research Highlights" di Nature Photonics di Aprile 2014 -
http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n4/full/nphoton.2014.66.html
[1] "Electrically driven single-photon source". ZL Yuan, BE Kardynal, R M Stevenson, Andrew J Shields, CJ Lobo, K Cooper, NS Beattie, D A Ritchie, and M Pepper. Science, 2002 vol. 295 (5552) pp. 102-105.
[2] "Coherent dynamics of a telecom-wavelength entangled photon source." M B Ward, M C Dean, R M Stevenson, A J Bennett, D J P Ellis, K Cooper, I Farrer, C A Nicoll, D A Ritchie, and Andrew J Shields. Nature Communications, 2014 vol. 5 pp.3316-3319.
[3] "Single quantum dot emission at telecom wavelengths from metamorphic InAs/InGaAs nanostructures grown on GaAs substrates." L Seravalli, G Trevisi, P Frigeri, D Rivas, G Munoz-Matutano, I Suarez, B Alen, J Canet, and J P Martinez-Pastor.
Appl. Phys. Lett., 2011 vol. 98 (17) p. 173112.
[4] "Design and growth of metamorphic InAs/InGaAs quantum dots for single photon emission in the telecom window." L Seravalli, G Trevisi, and P Frigeri. CrystEngComm, 2012 vol. 14 (20) pp. 6833-6838.
[5] "Two-Color Single-Photon Emission from InAs Quantum Dots: Toward Logic Information Management Using Quantum Light" D Rivas, G Muñoz-Matutano, J Canet-Ferrer, R García-Calzada, G Trevisi, L Seravalli, P Frigeri, and J P Martínez-Pastor. Nano Letters 2014 vol. 14 (2), 456-463.
Immagini:
