Контроль цвета, или длины волны излучения, квантовых источников света является критически важной задачей для развития сетей квантовой связи и фотонных вычислений. Однако существующие методы настройки квантового света часто требуют экстремальных условий: высоких напряжений, сильных магнитных полей или криогенных температур, что ограничивает их практическое применение.
Исследователи под руководством доцента Дун Чжаогана из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) разработали новый метод, позволяющий значительно изменять длину волны квантового света при комнатной температуре. В основе метода лежит использование миниатюрных настраиваемых наноструктур и управление с помощью низкого электрического напряжения. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials в статье под названием «Электрически настраиваемые и модулируемые перовскитные квантовые излучатели посредством поверхностно-усиленного затухания Ландау».
Ключевым элементом системы является гибридная структура, объединяющая высокоэффективные излучатели света — перовскитные квантовые точки (КТ) — с наноструктурированным теллуридом сурьмы (Sb₂Te₃). Sb₂Te₃ является материалом с фазовым переходом, обладающим уникальными оптическими и электронными свойствами, поддерживающим межзонную плазмонику и способным переключаться между аморфной и кристаллической фазами.
Механизм управления основан на явлении поверхностно-усиленного затухания Ландау. Когда свет освещает крошечные резонансные структуры на поверхности нанодисков из кристаллического Sb₂Te₃, генерируются высокоэнергетические электроны, так называемые «горячие электроны». Этот процесс эффективно преобразует коллективные колебания, вызванные взаимодействием со светом, в полезную электрическую энергию на наноуровне.
Сгенерированные горячие электроны затем инжектируются в близлежащие перовскитные квантовые точки. Эта инжекция изменяет энергетические уровни внутри КТ, что напрямую приводит к изменению цвета (длины волны) испускаемого ими света. Таким образом, затухание Ландау используется для управления свойствами квантовых излучателей.
Исследователям удалось добиться сдвига энергии излучаемого света более чем на 570 миллиэлектронвольт (мэВ). Это соответствует изменению длины волны примерно с 750 нанометров (нм) до 570 нм. Данный результат значительно превосходит предыдущие достижения, где типичные сдвиги для квантовых излучателей, связанных с наноантеннами, составляли всего 10-20 мэВ. Достигнутый сдвиг является одним из самых больших, когда-либо зарегистрированных для КТ на подобной платформе, представляя собой убедительное доказательство концепции.
Важной особенностью является возможность электрического контроля. Приложение постоянного напряжения в диапазоне от –4 до +4 вольт позволяет не только модулировать длину волны излучения, но и привело к 22-кратному увеличению его интенсивности. Низковольтная электрическая настройка делает эту технологию перспективной для интеграции в фотонные схемы.
Функциональность системы тесно связана со способностью Sb₂Te₃ изменять фазовое состояние. В аморфном состоянии атомный беспорядок материала препятствует инжекции горячих электронов, и настройка длины волны практически отсутствует. В кристаллическом состоянии упорядоченная структура поверхности обеспечивает эффективную передачу энергии и инжекцию электронов в КТ, позволяя осуществлять настройку. Этот обратимый фазовый переход, управляемый термически или оптически, предоставляет встроенную функцию переключения для программируемых источников света.
Дальнейшие исследования будут направлены на усовершенствование технологии для работы с источниками одиночных фотонов и создание прецизионных, электрически реконфигурируемых систем. Одна из амбициозных целей — разработка систем для безопасной квантовой связи, способных работать даже при дневном свете, преодолевая фоновый шум.
Разработанный подход открывает путь к созданию фотонных устройств, способных адаптировать частоту излучения по требованию. Это может улучшить масштабируемость и производительность систем квантовой связи и приблизить создание практических, интегрированных квантовых фотонных схем для различных реальных приложений.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи под руководством доцента Дун Чжаогана из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) разработали новый метод, позволяющий значительно изменять длину волны квантового света при комнатной температуре. В основе метода лежит использование миниатюрных настраиваемых наноструктур и управление с помощью низкого электрического напряжения. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials в статье под названием «Электрически настраиваемые и модулируемые перовскитные квантовые излучатели посредством поверхностно-усиленного затухания Ландау».
Ключевым элементом системы является гибридная структура, объединяющая высокоэффективные излучатели света — перовскитные квантовые точки (КТ) — с наноструктурированным теллуридом сурьмы (Sb₂Te₃). Sb₂Te₃ является материалом с фазовым переходом, обладающим уникальными оптическими и электронными свойствами, поддерживающим межзонную плазмонику и способным переключаться между аморфной и кристаллической фазами.
Механизм управления основан на явлении поверхностно-усиленного затухания Ландау. Когда свет освещает крошечные резонансные структуры на поверхности нанодисков из кристаллического Sb₂Te₃, генерируются высокоэнергетические электроны, так называемые «горячие электроны». Этот процесс эффективно преобразует коллективные колебания, вызванные взаимодействием со светом, в полезную электрическую энергию на наноуровне.
Сгенерированные горячие электроны затем инжектируются в близлежащие перовскитные квантовые точки. Эта инжекция изменяет энергетические уровни внутри КТ, что напрямую приводит к изменению цвета (длины волны) испускаемого ими света. Таким образом, затухание Ландау используется для управления свойствами квантовых излучателей.
Исследователям удалось добиться сдвига энергии излучаемого света более чем на 570 миллиэлектронвольт (мэВ). Это соответствует изменению длины волны примерно с 750 нанометров (нм) до 570 нм. Данный результат значительно превосходит предыдущие достижения, где типичные сдвиги для квантовых излучателей, связанных с наноантеннами, составляли всего 10-20 мэВ. Достигнутый сдвиг является одним из самых больших, когда-либо зарегистрированных для КТ на подобной платформе, представляя собой убедительное доказательство концепции.
Важной особенностью является возможность электрического контроля. Приложение постоянного напряжения в диапазоне от –4 до +4 вольт позволяет не только модулировать длину волны излучения, но и привело к 22-кратному увеличению его интенсивности. Низковольтная электрическая настройка делает эту технологию перспективной для интеграции в фотонные схемы.
Функциональность системы тесно связана со способностью Sb₂Te₃ изменять фазовое состояние. В аморфном состоянии атомный беспорядок материала препятствует инжекции горячих электронов, и настройка длины волны практически отсутствует. В кристаллическом состоянии упорядоченная структура поверхности обеспечивает эффективную передачу энергии и инжекцию электронов в КТ, позволяя осуществлять настройку. Этот обратимый фазовый переход, управляемый термически или оптически, предоставляет встроенную функцию переключения для программируемых источников света.
Дальнейшие исследования будут направлены на усовершенствование технологии для работы с источниками одиночных фотонов и создание прецизионных, электрически реконфигурируемых систем. Одна из амбициозных целей — разработка систем для безопасной квантовой связи, способных работать даже при дневном свете, преодолевая фоновый шум.
Разработанный подход открывает путь к созданию фотонных устройств, способных адаптировать частоту излучения по требованию. Это может улучшить масштабируемость и производительность систем квантовой связи и приблизить создание практических, интегрированных квантовых фотонных схем для различных реальных приложений.
