| Tytuł: | Azotkowe diody elektroluminescencyjne emitujące pojedyncze fotony do zastosowań w technologiach kwantowych |
| Kierownik projektu: | Czesław Skierbiszewski |
| Laboratorium: | Laboratorium Epitaksji MBE (NL-14) |
| Nazwa konkursu, programu: | OPUS |
| Numer projektu: | 2022/45/B/ST7/03964 |
| Data realizacji: | 10.01.2023 09.01.2026 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 1 886 600 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 1 886 600 zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| 1. Cele projektu badawczego/Hipoteza badawcza Źródła pojedynczych fotonów (SPS), napędzane optycznie lub elektrycznie, to kluczowe elementy nowych technologii kwantowych jak liniowe optyczne obliczenia kwantowe, kryptografia kwantowa (QC), kwantowa dystrybucja klucza (QKD) i kwantowa wspomnienia [1]. Protokoły QKD zostały pomyślnie zademonstrowane w komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni i opartej na światłowodach systemy. Praktyczna implementacja protokołu QKD dla łączy Quantum LiFi na wysokim poziomie opiera się na zastosowaniu elektrycznie pompowana pojedyncza fotonowa dioda elektroluminescencyjna (SP-LED). Dlatego w wielu krajach prowadzone są szeroko zakrojone prace nad SPS grupy badawcze prowadzące do demonstracji diod SP-LED pracujących w wysokich temperaturach. Większość przeprowadzane są eksperymentalne demonstracje emisji pojedynczego fotonu (SPE) z wykorzystaniem półprzewodnikowych kropek kwantowych (QD) za pomocą chłodzenia kriogenicznego (zwykle przy użyciu ciekłego helu w temperaturze 4K). Oferta QD z azotkami III o szerokim paśmie wzbronionym znaczące zalety, ponieważ umożliwiają pracę w wysokiej temperaturze półprzewodnikowych SPS. W ramach tego projektu będziemy to robić zbadaj monolityczne, napędzane elektrycznie azotkowe diody SP-LED hodowane metodą epitaksji z wiązek molekularnych wspomaganą plazmą (PAMBE). 2. Metodologia projektów badawczych Proponujemy zbadanie projektów SP-LED, w których mikro-LED azotkowa (μLED) jest zintegrowana z nanodrutem azotkowym (NW) zawierającym InGaN QD. Tutaj emisja pojedynczych fotonów zostanie osiągnięta poprzez optyczne pompowanie QD na wierzchołku NW za pomocą światła generowane przez uLED. Istotną nowością w naszym podejściu jest zastosowanie specjalnej konstrukcji azotkowych μLED, w których stosujemy złącza tunelowe w celu określenia wielkości μLED (od 2 do 80 μm) [2]. Naszym celem jest opracowanie skalowalnej konstrukcji SP-LED działającej przy temperatura pokojowa dla protokołów QKD. Zastosujemy także specjalne diody LED o zwiększonej wydajności wtrysku nośnika do region aktywny [3]. Diody te wydajnie pracują w temperaturach kriogenicznych, co pozwala na ich efektywne wykorzystanie pompy optyczne aż do temperatur helu. Działanie diod SP-LED w temperaturach kriogenicznych powinno ulec poprawie właściwości SPE z takich źródeł, poprzez zmniejszenie wpływu poszerzenia szerokości linii związanego z fononem na pojedynczy foton czystość pozwalająca na wykorzystanie tego typu urządzeń także w informatyce kwantowej. Wysoka jakość epitaksji III-N w naszym laboratorium jest wsparte pracą nad azotkowymi diodami laserowymi o wyjątkowo długiej żywotności [4]. 3. Oczekiwany wpływ projektu badawczego na rozwój nauki Rozwój QD InN i InGaN nie jest dobrze rozwinięty pomimo wysiłków wielu grup eksperymentalnych. Sukces kontrolę nad wielkością QD, zawartość In będzie kluczowa dla SPS na bazie azotków. Demonstracja SPS napędzanych elektrycznie o godz wysokie temperatury będą ważne dla praktycznych zastosowań w QKD - nawet jeśli chodzi o czystość pojedynczego fotonu zakres temperatur jest słaby. Do SPE o wysokiej czystości proponujemy urządzenie, które może pracować w temperaturach kriogenicznych. Rozwój technologii wzrostu QD InGaN osadzonych w GaN NW przez PAMBE będzie korzystny nie tylko na potrzeby tego Projektu – ale ogólnie pozwoli to ulepszyć inne urządzenia optoelektroniczne, takie jak zielone, czerwone i diody LED i diody LD z azotku podczerwieni. Referencje [1] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, H. Zbinden, Quantum cryptography, Reviews of Modern Physics 74(1) (2002) 145-195. [2] J. Sławińska, G. Muzioł, M. Siekacz, H. Turski, M. Hajdel, M. Żak, A. Feduniewicz-Zmuda, C. Skierbiszewski, „Ion implantacja złącza tunelowego jako metoda wyznaczania apertury mikrodiod elektroluminescencyjnych na bazie azotku III”, Optics Express, zaakceptowana, czerwiec 2022 r [3] M. Chlipala, H. Turski, M. Siekacz, K. Pieniak, K. Nowakowski-Szkudlarek, T. Suski, C. Skierbiszewski, Nitride lightemitting diody do temperatur kriogenicznych, Opt Express 28(20) (2020) 30299-30308. [4] C. Skierbiszewski, H. Turski, G. Muzioł, M. Siekacz, M. Sawicka, G. Cywiński, Z.R. Wasilewski, S. Porowski, Na bazie azotku diody laserowe hodowane metodą epitaksji z wiązek molekularnych wspomaganą plazmą, Journal of Physics D: Applied Physics 47(7) (2014). |