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超小纳米腔推进了基于量子的安全数据加密技术

2019-05-14 11:25:53   来源:

研究人员开发出一种新型光增强光学腔,其高度仅为200纳米,横跨100纳米。他们新的纳米级系统向更明亮的单光子源迈出了一步,这有助于推动基于量子的加密和真正安全且面向未来的网络。

量子加密技术被认为可能是未来数据加密方法的核心,它使用单独的光子作为一种非常安全的数据编码方式。这些技术的局限性在于能够以高速率发射光子。“单光子光源最重要的优点之一是亮度 - 或每秒收集的光子 - 因为它越亮,你可以通过量子加密安全传输的数据越多,”Yousif Kelaita,Nanoscale和Quantum说。加利福尼亚州斯坦福大学光子学实验室。

在光学学会(OSA)的光学材料快报杂志上,Kelaita和他的同事表明,他们的新纳米腔显着提高了量子点的发光亮度 - 纳米级半导体粒子可以发射单个光子。

研究人员通过使用高反射银涂覆位于基板上的纳米级半导体柱的侧面来创建新的纳米腔。银使光在纳米柱内部反弹,将其转变为非常小的光学腔。研究人员表示,相同的设计概念可用于从其他材料中为不同的单光子发射器量身定制纳米腔。

在一个狭小的空间内捕捉光

在纳米尺度上,光以独特的方式与材料相互作用。一个例子是珀塞尔效应,其提高了限制在小腔中的量子点或其他光发射器的发射效率。显示Purcell增强的系统将在给定的时间内发射更多的光子,这可以使量子加密系统比现在更快地运行。

由于能量在光发射器和腔体之间更快地传递,因此实现Purcell增强受益于极小的腔体。还希望具有足够高的品质因数,这意味着腔的反射允许光长时间反弹。

“我们展示了一种新型腔体,其体积比固态系统中现有技术水平低几个数量级,”Kelaita说。“该系统可同时产生强烈的Purcell增强效率和高光收集效率,从而使单光子源的亮度整体提高。”

当研究人员测试新的纳米腔时,他们发现放置在纳米腔内的量子点每秒发射的光子数量多于不在这种腔内的量子点。

因为纳米腔在顶部是敞开的,所以发射的光可以直接进入空气中。先前产生的类似纳米腔顶部具有金属涂层,该金属涂层对于收集发射的光子是不合需要的。新纳米腔的发射曲线也与标准显微镜物镜相匹配,允许高百分比的光进入镜头。发射轮廓与显微镜物镜之间的不匹配导致先前开发的纳米腔系统中的光损失问题。

制作小腔

该团队使用改进的制造技术来克服用金属涂覆纳米柱的挑战。高而瘦的纳米结构倾向于经历所谓的阴影效应,因为纳米加工技术使用金属像雪一样直接落到设备上的过程。

“如果你想象雪落在一棵树上,雪就会紧贴自己,堆积在树枝上,形成比树枝本身更大的宽度或土墩,”克莱塔说。“当金属沉积在柱子之类的顶部时,也会发生这种情况。当金属附着在自身上时,它会比下面的柱子产生更大的隆起,防止金属掉落在柱子下面的部分下面。最后,这种阴影效应会在设备中产生气隙。“

为了解决这个问题,研究人员同时旋转并倾斜样品,立刻涂在支柱的四周。即使采用这种新方法,他们也必须小心它们沉积金属的角度,以避免在支柱侧面和顶部金属之间形成金属涂层。如果形成连接,则在顶部超声去除金属盖的最后步骤将是困难的或不可能的。

“其他使用金属的团体应该对这种技术感兴趣,因为即使对于完全封装在金属中的特征,这种阴影效应也会发生,”Kelaita说。

甚至更好的纳米腔

研究人员正在努力创造具有更好特性的其他类型的纳米腔。例如,他们想要尝试在钻石中制造纳米腔,这可能允许在室温下工作的单光子源,这是将量子加密结合到消费设备中的关键要求。

他们还希望将从这项新工作中获得的知识与他们最近开发的反向设计算法相结合,以自动设计集成到硅芯片上的光子器件。通过该算法,工程师可以指定所需的功能,软件提供了制作执行该功能的结构的指令。