Sistema de epitaxia por feixe molecular usado para o crescimento dos emissores
de fótons únicos: localizado no Departamento de Semicondutores da
Johannes Kepler University, em Linz (Áustria), foi usado pelo pesquisador
Saimon F. Covre da Silva durante o período em que dirigiu o laboratório.
Agora, com financiamento da FAPESP, ele está adquirindo equipamento
semelhante, o primeiro do tipo no Brasil
(foto: Saimon Filipe Covre da Silva/IFGW-Unicamp)
Estratégia de fabricação
permite obter emissores de fótons únicos e emaranhados com baixa densidade,
alta simetria e comprimentos de onda mais adequados à fotônica integrada
Tecnologias quânticas baseadas
em luz – como comunicação quântica e computação quântica fotônica – precisam de
fontes confiáveis de fótons individuais e, idealmente, de pares de fótons
emaranhados. Os pontos quânticos semicondutores são candidatos promissores para
isso. Eles consistem em nanoestruturas, com condutividade elétrica situada
entre a de isolantes e a de condutores, capazes de confinar elétrons e lacunas.
Tal propriedade faz com que emitam luz em frequências bem definidas quando
excitados por laser.
Mas os métodos tradicionais de
fabricação apresentam limitações importantes: densidade muito alta de pontos,
que torna difícil isolar um único emissor; assimetrias estruturais que
prejudicam o emaranhamento; tempos de emissão relativamente longos; “ruído”
eletrônico que reduz a qualidade da luz. O desafio é fabricar pontos quânticos
mais simétricos, mais rápidos, mais previsíveis e que emitam luz em
comprimentos de onda mais adequados para dispositivos fotônicos integrados.
Um estudo conduzido por
cooperação internacional tendo como primeiro autor o pesquisador Saimon Filipe Covre da Silva, do Instituto de Física Gleb
Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), demonstrou uma
nova estratégia para fabricar pontos quânticos semicondutores capazes de emitir
luz em comprimentos de onda mais longos, mantendo propriedades ópticas
consideradas ideais para aplicações em tecnologias quânticas, como simulação,
comunicação segura e computação fotônica. Artigo a respeito foi publicado no periódico Nano Letters.
“Nosso trabalho mostrou que é
possível produzir pontos quânticos de arseneto de índio-gálio [InGaAs] em
arseneto de alumínio-gálio [AlGaAs] com baixa densidade superficial, rápida
emissão de fótons e alta simetria estrutural, características essenciais para
fontes de fótons únicos e emaranhados sob demanda”, diz Silva.
Até hoje, muitos dos
experimentos pioneiros em óptica quântica utilizaram pontos quânticos de InGaAs
crescidos pelo método Stranski-Krastanow (SK). Trata-se de um regime de
crescimento epiaxial, em que um cristal cresce sobre outro cristal seguindo a
orientação cristalográfica do substrato, isto é, com alinhamento definido pela
rede cristalina da base. Os físicos búlgaros Ivan Stranski (1897-1979) e
Lyubomir Krastanov (1904-1971) formularam, ainda nos anos 1930, um modelo
teórico que descreve a transição do crescimento em camadas para a formação de
ilhas tridimensionais. Nos experimentos mencionados, essas ilhas constituem os
pontos quânticos.
Embora eficiente, o método
produz pontos quânticos com os inconvenientes já mencionados: densidade
superficial elevada, grande variabilidade estrutural, tempos de vida radiativos
relativamente longos, em torno de 1 nanossegundo. E também com a indesejável
preservação daquilo que, no jargão técnico, é chamado de “camada molhante” (wetting
layer), isto é, da fina camada inicial, contínua e bidimensional do
material depositado, que “molha” o substrato, antes que, ao se alcançar uma
espessura crítica, o crescimento deixe de ocorrer de forma plana para dar
origem às ilhas tridimensionais. Os materiais crescidos apresentam tamanhos
diferentes e crescem tensionados. Por causa dessa tensão se formam as ilhas,
porém a tensão traz desvantagens para as fontes de luz.
“Tais características
dificultam o endereçamento óptico de pontos individuais e podem introduzir
decoerência, prejudicando aplicações que exigem fótons únicos ou pares de
fótons emaranhados. Por isso, nos últimos anos, ganhou destaque uma abordagem
alternativa, conhecida como local droplet etching (LDE),
“escavação local por gotículas”. Nesse método, pequenas gotículas metálicas
(tipicamente de gálio ou alumínio) são formadas durante o crescimento epiaxial,
criando nanocavidades quase idênticas na superfície do material.
Posteriormente, essas cavidades podem ser preenchidas de forma controlada,
dando origem a pontos quânticos altamente simétricos e com densidade ajustável.
Até agora, essa técnica havia
sido explorada principalmente para produzir pontos quânticos de arseneto de
gálio (GaAs) em arseneto de alumínio-gálio (AlGaAs), cuja emissão óptica é
limitada a comprimentos de onda próximos de 815 nanômetros, valor imposto
pelo gap do GaAs em baixas temperaturas. O novo estudo amplia
esse horizonte. “Mostramos que, ao preencher as nanocavidades escavadas em
arseneto de alumínio-gálio com uma fina camada, de cerca de 1 nanômetro, de
arseneto de índio-gálio, é possível obter pontos quânticos quase livres de
deformação mecânica e com propriedades ópticas excelentes”, pontua o
pesquisador.
A fração nominal de índio (In)
variou entre 0,1 e 0,4, permitindo ajustar o comprimento de onda de emissão. As
medições por microfotoluminescência revelaram uma densidade superficial
extremamente baixa, da ordem de 0,2 a 0,3 ponto quântico por micrômetro quadrado
(μm⁻²). Ao mesmo tempo, os pontos
quânticos exibiram tempos de vida radiativos extremamente curtos, próximos de
300 picossegundos (ps), cerca de três vezes menores do que os observados em
pontos quânticos de arseneto de índio-gálio crescidos pelo método
Stranski-Krastanow no mesmo intervalo espectral.
Um dos principais resultados do
trabalho é a extensão do comprimento de onda de emissão. Ao aumentar a
concentração índio, os pesquisadores observaram um deslocamento progressivo da
emissão, que pôde ser ajustada entre 780 e aproximadamente 900 nanômetros, a
temperaturas criogênicas em torno de 10 kelvin (K). “Esse intervalo é
particularmente relevante para a fotônica integrada, pois perdas ópticas por
espalhamento e absorção em estruturas de AlGaAs diminuem com o aumento do
comprimento de onda. Além disso, essa faixa espectral é compatível com
tecnologias ópticas já desenvolvidas para pontos quânticos convencionais de
InGaAs”, comenta Silva.
Outro parâmetro crucial
analisado foi a estrutura fina excitônica (fine structure splitting,
FSS). Essa grandeza é determinante para a geração de pares de fótons
emaranhados por polarização. O estudo apresentou valores comparáveis aos
melhores resultados obtidos com pontos quânticos de GaAs por escavação por
gotículas. Em termos práticos, valores tão pequenos indicam alto potencial para
aplicações em criptografia quântica e redes quânticas, nas quais o
emaranhamento é um recurso central. O experimento mostrou que a fonte de luz
quase nunca emite dois fótons ao mesmo tempo, mas sim um de cada vez –
exatamente o comportamento esperado de uma fonte confiável de fótons únicos.
“A combinação de baixa
densidade, alta simetria, emissão rápida e comprimento de onda estendido torna
esses novos pontos quânticos particularmente promissores para fotônica quântica
integrada. Além disso, a maior separação energética entre os níveis eletrônicos
s e p, que chega a ser até duas vezes maior do que em pontos quânticos de GaAs,
pode permitir a operação de dispositivos quânticos a temperaturas
significativamente mais altas – acima de 40 K”, destaca Silva.
Em conjunto, os resultados
apontam para uma nova geração de fontes de luz quântica no estado sólido, mais
robustas contra efeitos de decoerência e mais compatíveis com arquiteturas
escaláveis de dispositivos quânticos.
O estudo foi apoiado pela
FAPESP por meio do projeto “Fontes de fóton único de estado sólido para
frequências de telecomunicações” (processos 24/08527-2 e 24/21615-8), vinculado ao Programa QuTIa em
Tecnologias Quânticas – Jovens Pesquisadores.
O artigo Low-density
InGaAs/AlGaAs quantum dots in droplet-etched nanoholes pode ser
acessado em pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c04426.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/novo-metodo-produz-pontos-quanticos-que-trazem-vantagens-para-tecnologias-baseadas-em-luz/57141
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