Nuevo método produce puntos cuánticos que aportan ventajas para tecnologías basadas en luz

Estrategia de fabricación permite obtener emisores de fotones únicos y entrelazados con baja densidad, alta simetría y longitudes de onda más adecuadas para la fotónica integrada

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las tecnologías cuánticas basadas en luz —como la comunicación cuántica y la computación cuántica fotónica— requieren fuentes confiables de fotones individuales e, idealmente, de pares de fotones entrelazados. Los puntos cuánticos semiconductores son candidatos prometedores para ello. Consisten en nanoestructuras con conductividad eléctrica situada entre la de los aislantes y la de los conductores, capaces de confinar electrones y huecos. Esta propiedad hace que emitan luz en frecuencias bien definidas cuando son excitados por láser.

Sin embargo, los métodos tradicionales de fabricación presentan limitaciones importantes: densidad muy alta de puntos, lo que dificulta aislar un único emisor; asimetrías estructurales que perjudican el entrelazamiento; tiempos de emisión relativamente largos; “ruido” electrónico que reduce la calidad de la luz. El desafío es fabricar puntos cuánticos más simétricos, más rápidos, más previsibles y que emitan luz en longitudes de onda más adecuadas para dispositivos fotónicos integrados.

Un estudio realizado en cooperación internacional, cuyo primer autor es el investigador Saimon Filipe Covre da Silva, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estatal de Campinas (IFGW-Unicamp), en Brasil, demostró una nueva estrategia para fabricar puntos cuánticos semiconductores capaces de emitir luz en longitudes de onda más largas, manteniendo propiedades ópticas consideradas ideales para aplicaciones en tecnologías cuánticas, como simulación, comunicación segura y computación fotónica. El artículo al respecto fue publicado en el periódico Nano Letters.

“Nuestro trabajo mostró que es posible producir puntos cuánticos de arseniuro de indio-galio [InGaAs] en arseniuro de aluminio-galio [AlGaAs] con baja densidad superficial, rápida emisión de fotones y alta simetría estructural, características esenciales para fuentes de fotones únicos y entrelazados bajo demanda”, afirma Silva.

Hasta hoy, muchos de los experimentos pioneros en óptica cuántica utilizaron puntos cuánticos de InGaAs crecidos por el método Stranski-Krastanow (SK). Se trata de un régimen de crecimiento epitaxial en el que un cristal crece sobre otro siguiendo la orientación cristalográfica del sustrato, es decir, con alineación definida por la red cristalina de la base. Los físicos búlgaros Ivan Stranski (1897-1979) y Lyubomir Krastanov (1904-1971) formularon, en la década de 1930, un modelo teórico que describe la transición del crecimiento en capas a la formación de islas tridimensionales. En los experimentos mencionados, estas islas constituyen los puntos cuánticos.

Aunque eficiente, el método produce puntos cuánticos con los inconvenientes ya mencionados: elevada densidad superficial, gran variabilidad estructural, tiempos de vida radiativos relativamente largos, en torno a 1 nanosegundo. También con la indeseable preservación de lo que, en la jerga técnica, se denomina “capa humectante” (wetting layer), es decir, la fina capa inicial, continua y bidimensional del material depositado que “moja” el sustrato, antes de que, al alcanzar un espesor crítico, el crecimiento deje de ocurrir de forma plana y dé lugar a las islas tridimensionales. Los materiales crecidos presentan tamaños diferentes y crecen bajo tensión. Esa tensión da origen a las islas, pero también trae desventajas para las fuentes de luz.

Estas características dificultan el direccionamiento óptico de puntos individuales y pueden introducir decoherencia, perjudicando aplicaciones que requieren fotones únicos o pares de fotones entrelazados. Por ello, en los últimos años ha ganado protagonismo un enfoque alternativo, conocido como local droplet etching (LDE), “grabado local por gotículas”. En este método, pequeñas gotículas metálicas (generalmente de galio o aluminio) se forman durante el crecimiento epitaxial, creando nanocavidades casi idénticas en la superficie del material. Posteriormente, estas cavidades pueden rellenarse de manera controlada, dando lugar a puntos cuánticos altamente simétricos y con densidad ajustable.

Hasta ahora, esta técnica se había explorado principalmente para producir puntos cuánticos de arseniuro de galio (GaAs) en arseniuro de aluminio-galio (AlGaAs), cuya emisión óptica está limitada a longitudes de onda cercanas a 815 nanómetros, valor impuesto por el gap del GaAs a bajas temperaturas. El nuevo estudio amplía este horizonte. “Mostramos que, al rellenar las nanocavidades grabadas en arseniuro de aluminio-galio con una fina capa, de aproximadamente 1 nanómetro, de arseniuro de indio-galio, es posible obtener puntos cuánticos casi libres de deformación mecánica y con propiedades ópticas excelentes”, señala el investigador.

La fracción nominal de indio (In) varió entre 0,1 y 0,4, lo que permitió ajustar la longitud de onda de emisión. Las mediciones mediante microfotoluminiscencia revelaron una densidad superficial extremadamente baja, del orden de 0,2 a 0,3 punto cuántico por micrómetro cuadrado (μm⁻²). Al mismo tiempo, los puntos cuánticos exhibieron tiempos de vida radiativos extremadamente cortos, cercanos a 300 picosegundos (ps), aproximadamente tres veces menores que los observados en puntos cuánticos de InGaAs crecidos por el método Stranski-Krastanow en el mismo intervalo espectral.

Uno de los principales resultados del trabajo es la extensión de la longitud de onda de emisión. Al aumentar la concentración de indio, los investigadores observaron un desplazamiento progresivo de la emisión, que puede ajustarse entre 780 y aproximadamente 900 nanómetros, a temperaturas criogénicas en torno a 10 kelvin (K). “Este intervalo es particularmente relevante para la fotónica integrada, ya que las pérdidas ópticas por dispersión y absorción en estructuras de AlGaAs disminuyen con el aumento de la longitud de onda. Además, esta franja espectral es compatible con tecnologías ópticas ya desarrolladas para puntos cuánticos convencionales de InGaAs”, comenta Silva.

Otro parámetro crucial analizado fue la estructura fina excitónica (fine structure splitting, FSS). Esta magnitud es determinante para la generación de pares de fotones entrelazados por polarización. El estudio presentó valores comparables a los mejores resultados obtenidos con puntos cuánticos de GaAs mediante grabado por gotículas. En términos prácticos, valores tan pequeños indican alto potencial para aplicaciones en criptografía cuántica y redes cuánticas, en las que el entrelazamiento es un recurso central. El experimento mostró que la fuente de luz casi nunca emite dos fotones al mismo tiempo, sino uno por vez – exactamente el comportamiento esperado de una fuente confiable de fotones únicos.

“La combinación de baja densidad, alta simetría, emisión rápida y longitud de onda extendida convierte a estos nuevos puntos cuánticos en candidatos particularmente prometedores para la fotónica cuántica integrada. Además, la mayor separación energética entre los niveles electrónicos s y p, que puede llegar a ser hasta el doble que en puntos cuánticos de GaAs, podría permitir la operación de dispositivos cuánticos a temperaturas significativamente más altas – por encima de 40 K”, destaca Silva.

En conjunto, los resultados apuntan a una nueva generación de fuentes de luz cuántica en estado sólido, más robustas frente a efectos de decoherencia y más compatibles con arquitecturas escalables de dispositivos cuánticos.

El estudio fue apoyado por la FAPESP a través del proyecto “Fuentes de fotón único en estado sólido para frecuencias de telecomunicaciones” (procesos 24/08527-2 y 24/21615-8), vinculado al Programa FAPESP QuTIa (Quantum Technologies InitiAtive) en Tecnologías Cuánticas.

El artículo Low-density InGaAs/AlGaAs quantum dots in droplet-etched nanoholes puede consultarse en: pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c04426.