"Солнце в бокале" - так в свое время любили называть винные магазины в курортных местечках на побережье Черного моря. Возможно, именно этот образ вдохновил ученых из Стэнфордского университета на создание высокоэффективного источника одиночных фотонов на основе полупроводникового микрорезонатора с квантовой точкой, напоминающего своим изящным видом бокал...

Если квантовые компьютеры все еще остаются заветной мечтой ученых, то квантовая криптография переходит из экспериментальной стадии в практическую: уже появились первые коммерческие квантовые микросистемы. Наибольшую надежность должны обеспечить криптосистемы, основанные на однофотонных импульсах, и в настоящее время идет активная разработка источников одиночных фотонов, удобных для коммерческого использования (см. об этом в нашей новости ).

Получение однофотонного света - непростая задача. Впервые поток одиночных фотонов был получен при резонансном возбуждении отдельных атомов и иононов, находящихся в "ловушке" (очевидно, что при резонансном оптическом возбуждении один атом не может излучить два фотона одновременно). С той поры были испробованы различные способы генерации однофотонных импульсов, однако наиболее предпочтительными - по причине их легкой интегрируемости в электронные устройства - являются, очевидно, твердотельные источники одиночных фотонов. Одним из вариантов таких источников являются структуры с полупроводниковыми квантовыми точками ).

Квантовые точки, их иногда еще называют искусственными атомами, представляют собой специальным образом выращенные наноразмерные островки-включения одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Из-за различия ширины запрещенных зон носители заряда оказываются локализованы в пределах островка, следствием чего является квазиатомный (представляющий собой набор отдельных уровней) энергетический спектр.

Рис. 1. (a) - изображение микрорезонатора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии; (b) - спектр люминесценции трех квантовых точек внутри микрорезонатора и времена жизни экситона в различных квантовых точках (экспериментальные точки - заполненные кружки, штриховая линия - расчет), наименьшее время жизни соответствует резонансной энергии (из работы [1]).

По аналогии с возбуждением отдельного естественного атома можно возбуждать отдельный "искусственный атом". При оптическом возбуждении такой полупроводниковой структуры в квантовую точку "сваливаются" электроны и дырки, которые затем рекомбинируют, излучая фотоны с определенной энергией. Отбирая фотоны с заданной энергией, в идеале можно добиться того, чтобы при каждом импульсе возбуждения "на выходе" имелось не более одного фотона (см. подробности в новости от 27.02.01). "Не более одного фотона", конечно, еще не значит непременно один фотон на импульс - на практике в большинстве случаев на выходе нет ничего... Понятно, что чем реже на выходе имеется желанный отдельный фотон, тем меньше будет скорость передачи данных, поэтому перед учеными стоит задача повышения эффективности генерации однофотонных импульсов.

Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности является ... управление интенсивностью спонтанного излучения структуры. Впервые на такую возможность обратили внимание около 60 лет назад при рассмотрением задачи о спонтанном излучении атома. Появление определенных граничных условий (например, при помещении атома в резонатор) приводит к модификации спектра нулевых колебаний электромагнитного поля; в определенном частотном диапазоне (вблизи резонанса) плотность состояний электромагнитного поля растет, в то время как в других частотных диапазонах она уменьшается. Поскольку вероятность спонтанного излучения зависит от плотности состояний электромагнитного поля в соответствующем энергетическом диапазоне, то, в зависимости от того, находит ли определенный излучательный переход вблизи резонанса или вдали от него, вероятность излучения либо растет, либо падает.

Эффект усиления резонансного (и подавления нерезонансного) излучения атома при прохождении через резонатор был экспериментально обнаружен пару десятилетий назад. Если можно управлять спонтанным излучением естественного атома, то почему бы не попытаться управлять спонтанным излучением "искусственного атома"? Это тем более удобно, что современные технологии позволяют получить "атом" вместе с резонатором, что называется, "в одном флаконе"! Для того, чтобы влиять на интенсивность спонтанного излучения оптического или ближнего инфракрасного диапазона, требуется резонатор микрометровых размеров. В последние годы эксперименты с такими полупроводниковыми микрорезонаторами стали возможны. В этих экспериментах было показано, что характерные времена излучательной рекомбинации экситонов в квантовых точках в микрорезонаторе можно уменьшить в несколько раз (см. рис. 1).

Рис. 2. (a) - изображение микрорезонатора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии; (b) - расчетное распределение электрического поля для основной моды микрозрезонатора.

Недавно ученые из Стэнфордского университета продемонстрировали высокоэффективную генерацию потока одиночных фотонов, используя излучение отдельной квантовой точки внутри микрорезонатора [2]. Микрорезонатор представлял собой столбик микрометровых размеров (высота 4.2 мкм, диаметр верхней части - 0.6 мкм), полученный с помощью литографии из полупроводниковой гетероструктуры с квантовыми точками InAs/GaAs (рис. 2). Резонансная структура представляла собой два распределенных брэгговских отражателя (зеркала), каждый из которых был сформирован на основе чередующихся эпитаксиальных слоев AlAs и GaAs (материалов с разными показателями преломления) толщиной в 1/4 резонансной длины волны, разделенные слоем GaAs толщиной в одну длину волны. Посередине между брэгговскими зеркалами находилась квантовая точка. При возбуждении люминесценции квантовой точки в микрорезонаторе короткими лазерными импульсами удалось добиться того, что 38 % импульсов сопровождались излучением световых импульсов (что более чем на порядок превосходит ранее достигнутые для твердотельных источников одиночных фотонов показатели). Вероятность многофотонной эмиссии при этом была в семь раз меньше, чем при использовании слабых когерентных импульсов.

Таким образом, была продемонстирована перспективность резонансного управления излучательными свойствами твердотельных структур для создания высокоэффективных источников одиночных фотонов. Надо, правда, отметить, что эксперименты американских ученых проводились при температуре 5 K, в то время как желательно иметь устройство, работающее при комнатной температуре (подобно описанному в новости от 15.11.02 ).

Хотя в первых строках новости я слегка покривил душой - бокалообразная форма является нежелательным отклонением от цилиндрической формы вследствие неидеальности процедуры формирования микростолбика, - тем не менее ничто не мешает нам еще раз взглянуть на рис. 2 и полюбоваться "Солнцем в бокале".

1. G.S.Solomon, M.Pelton, and Y.Yamamoto. Phys.Rev.Lett., v.86, 3903 (2001).

2. Matthew Pelton, Charles Santori, Jelena Vuckovic et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 233602 (2002).

Е.Онищенко