Nowe narzędzie inżynierii kwantowej: ukierunkowywanie emisji światła przy pomocy poprzecznego pola magnetycznego

Współczesne łącza telekomunikacyjne, światłowody, które oplatają Ziemię posługują się światłem jako nośnikiem informacji. Jednak po osiągnięciu docelowych urządzeń, komputerów, dalsze przetwarzanie informacji realizowane jest, przy obecnym stanie techniki, za pomocą sygnałów elektrycznych. Te sygnały przesyłane są przewodami i ścieżkami drukowanymi, a ich ograniczona pojemność i szybkość stanowią "wąskie gardło" współczesnych szybkich urządzeń przetwarzania informacji.

Możliwość zastąpienia obwodów elektrycznych i manipulowania światłem w sposób analogiczny do przełączania sygnałów elektrycznych w układach logicznych pamięci i procesorów fascynuje od dawna naukowców i inżynierów. Aby to zrealizować potrzebne są nowe nano-układy przełączające, w których sygnałem będzie światło. Prototyp takiego właśnie układu udało się zbudować i zademonstrować międzynarodowej grupie naukowców, wśród których są pracownicy Instytutu Fizyki PAN.

Badacze zademonstrowali nowe zjawisko fizyczne - efekt sterowania kierunkiem emisji światła z przypowierzchniowego źródła, studni kwantowej, za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego prostopadłego do kierunku emisji (ang. Transverse magnetic routing of light emission (TMRLE)). Dotychczas takie ukierunkowywanie udawało się uzyskiwać jedynie z użyciem mniej wygodnego dla zastosowań pola magnetycznego równoległego do osi emisji. Efekt sterowania kierunkiem emisji światła ze źródeł światła o nanometrowych rozmiarach za pomocą poprzecznego pola magnetycznego może być wykorzystany w przyszłości m.in. do budowy nanofotonicznych obwodów logicznych lub pamięci magneto-optycznych.

Publikacja zespołu badawczego opisująca odkryty efekt TMRLE ukazała się w najnowszym numerze prestiżowego czasopisma Nature Physics [1].

Do demonstracji efektu TMRLE wykorzystano bardzo dobrej jakości nanostruktury zawierające studnię kwantową położoną nieopodal powierzchni i zbudowaną z rozcieńczonego półprzewodnika magnetycznego CdMnTe z barierami wykonanymi z CdMgTe. Struktury wyhodowane zostały metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) i scharakteryzowane w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych (SL3) oraz Międzynarodowym Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią (ON6) Instytutu Fizyki PAN w Warszawie. Wybór tego typu źródeł światła podyktowany był z jednej strony faktem, że reprezentują one modelowy system z dobrze znanymi parametrami, wykazujący intensywną emisję światła będącego wynikiem rekombinacji wzbudzonych nośników ładunku tworzących kompleksy ekscytonowe, a z drugiej strony tym, iż silne oddziaływanie wymienne p d dziur z pasma walencyjnego z magnetycznymi jonami Mn²⁺ prowadzi do gigantycznego rozszczepienia Zeemana dziurowych poziomów spinowych. To rozszczepienie spinowe z kolei powoduje dużą, zależną od pola magnetycznego, kołową polaryzację emisji światła, będącą, obok złamania symetrii odbicia ośrodka poprzez obecność powierzchni, podstawą efektu TMRLE.

Autorzy pokazali, że efekt TMRLE może być istotnie wzmocniony w tzw. hybrydowych strukturach plazmonicznych. Struktury użyte w eksperymentach zbudowane były z siatki metalicznych pasków umiejscowionych na powierzchni struktury półprzewodnikowej i wytworzone zostały metodą litografii elektronowej, osadzania złota oraz techniki "lift-off". W takich strukturach światło emitowane przez pobliską studnię kwantową efektywnie wzbudza na granicy półprzewodnik-metal tzw. powierzchniowe polarytony plazmowe (ang. surface plasmon polaritons SPP) będące połączniem oscylacyjnego ruchu ładunków (elektronów) i generowanej tym ruchem fali elektromagnetycznej. Plazmonowe wzmocnienie TRMLE związane jest z silnym powiązaniem poprzecznej polaryzacji światła z kierunkiem propagacji elektromagnetycznych fal powierzchniowych oraz wzmocnieniem pola elektrycznego dla częstotliwości bliskich rezonansu plazmowego. Siatka metaliczna pełni także rolę odsprzęgacza pozwalającego na wyprowadzenie zanikających fal (ang. evanescent waves) na zewnątrz struktury. Zastosowanie siatki o okresie, dla którego częstotliwość rezonansu plazmowego była równa częstotliwości światła emitowanego ze studni, pozwoliło autorom na osiągnięcie 60% kierunkowości emisji.

Należy podkreślić, że TMRLE jest efektem uniwersalnym, który może być przeniesiony także na inne platformy materiałowe, m.in. bazujące na półprzewodnikach o dużym wewnętrznym (ang. intrinsic) rozszczepieniu spinowym, które nie wymagają stosowania niskich temperatur. Dlatego też jego pierwsza demonstracja otwiera możliwość budowy zarówno klasycznych jak i kwantowych źródeł światła z czasową i przestrzenną rozdzielczością, która ma fundamentalne znaczenie dla rozwoju nanofotoniki.

Badania prowadzone w Warszawie były częściowo finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach Programu MAB, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Programu Operacyjnego Zrównoważonego Rozwoju, a także Narodowe Centrum Nauki w ramach projektów Nr. DEC-2012/06/A/ST3/00247 oraz DEC-2014/14/M/ST3/00484.

[1] "Routing the emission of a near-surface light source by a magnetic field",
      F. Spitzer, A. N. Poddubny, I. A. Akimov, V. F. Sapega, L. Klompmaker, L. E. Kreilkamp, L. V. Litvin, R. Jede, G. Karczewski, M. Wiater, T. Wojtowicz, D. R. Yakovlev,
      M. Bayer,
      Nature Physics 14, 1043 (2018).

Międzynarodowe Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną,
Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

Rysunek: Schematyczne przedstawienie idei eksperymentu przeprowadzonego w celu demonstracji silnego efektu TMRLE. Struktura plazmoniczna położona z lewej strony rysunku zawiera magnetyczna studnię kwantową CdMnTe (QW) z barierami z CdMgTe (koloru niebieskiego). Na jej powierzchni wytworzono periodyczna siatkę złotych pasków o grubości 45 nm, okresie a = 250 nm i odległości między paskami w = 50 nm. Struktura umieszczona jest w zewnętrznym, poprzecznym polu magnetycznym B, leżącym w płaszczyźnie studni (ciemnoniebieska strzałka oznaczona B). Rozkład kątowy światła emitowanego przez strukturę jest zamieniany przez soczewkę na rozkład przestrzenny w płaszczyźnie fourierowskiej (prawa część rysunku) i rejestrowany przy użyciu dwuwymiarowej matrycy CCD (charge-coupled device) przyłączonej do spektrometru (rysunek pochodzi z publikacji F. Spitzer, et al., Nature Physics 14, 1043 (2018)).