Utilizzo del gap di banda fotonico nelle strutture triangolari di carburo di silicio per un efficiente hardware nanofotonico quantistico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4112 (2023) Citare questo articolo

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Il carburo di silicio è tra le principali piattaforme di materiali informativi quantistici grazie alla coerenza di spin lungo e alle proprietà di emissione di un singolo fotone dei suoi difetti del centro colore. Le applicazioni del carburo di silicio nelle reti quantistiche, nell'informatica e nel rilevamento si basano sulla raccolta efficiente dell'emissione del centro di colore in un'unica modalità ottica. Il recente sviluppo dell'hardware in questa piattaforma si è concentrato sui processi di incisione angolare che preservano le proprietà dell'emettitore e producono dispositivi di forma triangolare. Tuttavia, si sa poco sulla propagazione della luce in questa geometria. Esploriamo la formazione del gap di banda fotonico in strutture con sezione trasversale triangolare, che può essere utilizzato come principio guida nello sviluppo di hardware nanofotonico quantistico efficiente nel carburo di silicio. Inoltre, proponiamo applicazioni in tre aree: il filtro passa TE, il filtro passa TM e lo specchio a cristallo fotonico altamente riflettente, che può essere utilizzato per la raccolta efficiente e la selezione della modalità di propagazione dell'emissione luminosa.

I centri di colore sono difetti nei materiali monocristallini con ampio gap di banda che possono emettere fotoni singoli e fotoni con spin entangled che agiscono come portatori di informazioni quantistiche. Il carburo di silicio (SiC) è una delle piattaforme hardware quantistiche più importanti poiché ospita una raccolta di centri di colore1 indirizzabili otticamente con tempi di coerenza di spin lunghi2,3,4,5, luminosità eccellente6, spin nucleari7, 8 ed emissioni di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni1, 9 , che sono proprietà adatte per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Oltre a ciò, il SiC ha un ampio bandgap, un'elevata conduttività termica, una forte non linearità del secondo ordine, stabilità meccanica e una presenza industriale matura10, 11 che lo rendono una piattaforma affidabile per una varietà di applicazioni. Recentemente, la fotonica nella geometria triangolare è stata messa a fuoco per aumentare l'efficienza di tali processi di emissione quantistica allo stato solido. implementato sia nel diamante12, 14 che nel SiC5, 13. I precedenti processi di fabbricazione erano messi a dura prova da varie imperfezioni che deterioravano le proprietà ottiche dei centri di colore o limitavano la robustezza dei dispositivi nanofotonici9. D’altra parte, la geometria triangolare offre l’impianto dell’emettitore in substrati sfusi (guide d’onda indipendenti), che garantisce centri di colore di alta qualità con un migliore accoppiamento e può aprire la strada a un efficiente hardware fotonico quantistico.

Il progresso della tecnologia dell'informazione quantistica dipende in gran parte dalla realizzazione di robuste reti quantistiche9, 15, 16 e dalla generazione di stati arbitrari di cluster completamente fotonici17,18,19 che, nelle piattaforme dei centri di colore, sono limitati dalla bassa efficienza di raccolta dei fotoni. I centri di colore possono avere emissioni simili a dipoli ottici sia elettrici trasversali (TE) che magnetici trasversali (TM) con un angolo solido che copre 4\(\pi\). Pertanto, è importante comprendere le relazioni di dispersione TE/TM, nella geometria della guida d'onda triangolare, al fine di controllare e indirizzare la luce quantistica emessa dal centro di colore mediante la formazione di PBG per una maggiore efficienza di raccolta.

La formazione di band gap fotonici (PBG) nei cristalli fotonici (PhC) è stata esplorata negli ultimi tre decenni dopo la scoperta fatta da Yablonovitch e John20, 21. Sebbene la propagazione delle onde in strutture periodiche sia stata uno studio lungo quasi un secolo22, i PhC hanno attirato l'attenzione grazie alla loro robusta capacità di confinamento della luce, scalabilità e ingombro ridotto23, 24. La combinazione di diversi diffusori con geometrie reticolari uniche10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33 ha portato a PBG più ampi riducendo la simmetria della struttura e hanno trovato applicazioni nei divisori di fascio di polarizzazione34, 35, porte logiche ottiche36, 37, specchi38, 39, sensori40, 41, laser42, 43, celle solari44, 45 e altro ancora. Tuttavia, la maggior parte di questi studi sono stati condotti su geometrie a lastra, rettangolari o cilindriche. D'altra parte, i PhC a sezione triangolare sono stati studiati principalmente per la costruzione di dispositivi fotonici attivi13, 46, 47 mentre le relazioni di dispersione e le formazioni di PBG devono ancora essere discusse in dettaglio. Esploriamo queste proprietà per promuovere l'integrazione fotonica nei dispositivi quantistici basati su centri di colore SiC.