ムーディ研究室、単一光子のオンチップ発生法を開発 The Moody Lab develops a new method for on-chip generation of single photon
2023-01-17 カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)
◆しかし、現在の量子デバイスは、「1950年代のコンピュータのようなもの」であり、つまりは「初期段階」なのだ。量子フォトニクスの専門家であり、電気・コンピューター工学の助教授でもあるガラン・ムーディーのカリフォルニア大学サンタバーバラ校研究室の博士課程6年生、カミーヤー・パルトはそう話す。パルトは、『Nano Letters』誌に発表された論文の共同執筆者であり、フォトニックベースの量子技術の実現に不可欠な、単一光子を安定かつ高速に生成するオンチップ「工場」の開発という重要な進展について説明している。
◆チップ上で光子をルーティングするために導波路を使うのは比較的簡単ですが、単一光子を分離するのは簡単ではなく、何十億もの光子を迅速かつ効率的に生成するシステムを立ち上げるのは、もっと難しいことです。今回の論文では、特異な現象を利用して、従来よりもはるかに高い効率で単一光子を発生させる技術について述べられています。
◆単一光子の生成には様々な方法がありますが、パルトと彼の同僚は、ある2次元(2D)半導体材料の欠陥を利用してそれを行っています。この材料の厚さは原子1個分だけで、本質的には材料を少し取り除いて欠陥を作ります。
◆2次元材料の大きな利点は、特定の位置に欠陥を作り込むのに適していることである。さらに、パルトは、「この材料は非常に薄いので、3次元結晶材料の格子形状に制約されることなく、他のどのような材料上でも手に取って貼ることができるのです。そのため、2D材料は非常に統合しやすく、この論文で示した能力です。”
◆研究者たちは、例えば、材料を導波路上に置いてから、既存の単一欠陥を探すなど、いくつかの方法でそれを行おうとしますが、たとえ欠陥が正確に配置され、正確に正しい位置にあったとしても、抽出効率は20～30％にしかならないでしょう。それは、単一欠陥がある特定の速度でしか発光できず、光の一部が導波路への経路に直接ではなく、斜め方向に放射されるからです。その設計の理論的上限は40%に過ぎないが、量子情報応用に有用なデバイスを作るには、99.99%の取り出し効率が必要である。
◆しかし、パーセル効果と呼ばれる物理現象があり、これを利用することで効率を上げ、より多くの光を導波路に導くことができるのです。私たちの場合は、マイクロリング共振器の形をした光共振器の中に欠陥を入れることで、導波路への光の出入りを可能にする唯一の共振器の1つです。
◆「空洞が十分に小さければ、電磁場の真空揺らぎを絞り出すことができます。その揺らぎが、欠陥から光子を光のモードへと自然放出させるのです」。その量子ゆらぎを有限体積の空洞に押し込めば、欠陥上のゆらぎが大きくなり、リングに優先的に光が放出され、そこで加速されて明るくなり、抽出効率が高まります” と述べている。
◆この論文のために行われたマイクロリング共振器を使った実験では、研究チームは、46%の抽出効率を達成し、これは、以前の報告よりも1桁も高いものです。
＜関連情報＞
- https://www.news.ucsb.edu/2023/020809/shedding-light-quantum-photonics
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03151
窒化ケイ素マイクロレゾネーターと決定論的に統合された空洞増強型2次元物質量子エミッター Cavity-Enhanced 2D Material Quantum Emitters Deterministically Integrated with Silicon Nitride Microresonators
K. Parto, S. I. Azzam, N. Lewis, S. D. Patel, S. Umezawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, and G. Moody
Nano Letters Published:November 1, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03151
Abstract
Optically active defects in 2D materials, such as hexagonal boron nitride (hBN) and transition-metal dichalcogenides (TMDs), are an attractive class of single-photon emitters with high brightness, operation up to room temperature, site-specific engineering of emitter arrays with strain and irradiation techniques, and tunability with external electric fields. In this work, we demonstrate a novel approach to precisely align and embed hBN and TMDs within background-free silicon nitride microring resonators. Through the Purcell effect, high-purity hBN emitters exhibit a cavity-enhanced spectral coupling efficiency of up to 46% at room temperature, exceeding the theoretical limit (up to 40%) for cavity-free waveguide-emitter coupling and demonstrating nearly a 1 order of magnitude improvement over previous work. The devices are fabricated with a CMOS-compatible process and exhibit no degradation of the 2D material optical properties, robustness to thermal annealing, and 100 nm positioning accuracy of quantum emitters within single-mode waveguides, opening a path for scalable quantum photonic chips with on-demand single-photon sources.
