Utilizando band gap fotônico em estruturas triangulares de carboneto de silício para hardware nanofotônico quântico eficiente

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4112 (2023) Citar este artigo

Acessos de 1914

2 citações

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

O carboneto de silício está entre as principais plataformas de materiais de informação quântica devido à longa coerência de spin e às propriedades de emissão de fóton único de seus defeitos no centro de cores. As aplicações de carboneto de silício em redes quânticas, computação e detecção dependem da coleta eficiente da emissão do centro de cores em um único modo óptico. O desenvolvimento recente de hardware nesta plataforma concentrou-se em processos de gravação em ângulo que preservam as propriedades do emissor e produzem dispositivos de formato triangular. No entanto, pouco se sabe sobre a propagação da luz nesta geometria. Exploramos a formação de band gap fotônico em estruturas com seção transversal triangular, que pode ser usada como princípio orientador no desenvolvimento de hardware nanofotônico quântico eficiente em carboneto de silício. Além disso, propomos aplicações em três áreas: o filtro passa-TE, o filtro passa-TM e o espelho de cristal fotônico altamente reflexivo, que pode ser utilizado para coleta eficiente e seleção do modo de propagação da emissão de luz.

Centros de cores são defeitos em materiais monocristalinos de banda larga que podem emitir fótons únicos e fótons emaranhados de spin que atuam como portadores de informação quântica. O carboneto de silício (SiC) é uma das plataformas de hardware quântico mais notáveis, pois hospeda uma coleção de centros de cores opticamente endereçáveis1 com longos tempos de coerência de spin2,3,4,5, excelente brilho6, spins nucleares7, 8 e emissões de comprimento de onda de telecomunicações1, 9 , que são propriedades adequadas para processamento de informações quânticas. Além disso, o SiC possui um grande bandgap, alta condutividade térmica, forte não linearidade de segunda ordem, estabilidade mecânica e presença industrial madura, tornando-o uma plataforma confiável para uma variedade de aplicações. Recentemente, a fotônica em geometria triangular entrou em foco para aumentar a eficiência de tais processos de emissores quânticos de estado sólido . O guia de ondas de seção transversal triangular resulta de um processo de nanofabricação em massa denominado método de gravação em ângulo que foi com sucesso implementado em diamante12, 14 e SiC5, 13. Os processos de fabricação anteriores foram desafiados por várias imperfeições que deterioraram as propriedades ópticas dos centros de cores ou limitaram a robustez dos dispositivos nanofotônicos9. Por outro lado, a geometria triangular oferece implantação de emissores em substratos a granel (guias de ondas independentes), o que garante centros de cores de alta qualidade com melhor acoplamento e pode abrir caminho para hardware fotônico quântico eficiente.

O avanço da tecnologia de informação quântica depende muito da realização de redes quânticas robustas9, 15, 16 e da geração de estados de aglomerados totalmente fotônicos arbitrários17,18,19 que, em plataformas de centros de cores, são limitados pela baixa eficiência de coleta de fótons. Os centros de cores podem ter emissões semelhantes a dipolos ópticos elétricos transversais (TE) e magnéticos transversais (TM) com um ângulo sólido cobrindo 4\(\pi\). Portanto, é importante compreender as relações de dispersão TE/TM, na geometria do guia de ondas triangular, com vista a controlar e direcionar a luz quântica emitida a partir do centro de cor pela formação de PBG para maior eficiência de coleta.

A formação de band gaps fotônicos (PBGs) em cristais fotônicos (PhCs) tem sido explorada nas últimas três décadas após a descoberta feita por Yablonovitch e John20, 21. Embora a propagação de ondas em estruturas periódicas tenha sido um estudo de quase um século22, PhCs ganharam atenção devido à sua robusta capacidade de confinamento de luz, escalabilidade e tamanho reduzido 23, 24. A combinação de diferentes dispersores com geometrias de rede exclusivas 10, 11, 25,26,27,28,29,30,31,32,33 levou a PBGs mais amplos, reduzindo a simetria da estrutura e encontraram aplicações em divisores de feixe de polarização 34, 35, portas lógicas ópticas 36, 37, espelhos 38, 39, sensores 40, 41, lasers 42, 43, células solares 44, 45 e muito mais. No entanto, a maioria desses estudos foi conduzida em geometria de laje, retangular ou cilíndrica. Por outro lado, os PhCs de seção transversal triangular têm sido estudados principalmente para a construção de dispositivos fotônicos ativos, enquanto as relações de dispersão e as formações de PBG ainda precisam ser discutidas em detalhes. Exploramos essas propriedades para avançar a integração fotônica em dispositivos quânticos baseados em centros de cores SiC.