Fotoni goccia a goccia dal diamante quantistico / Photons in drops from quantum Diamond
Fotoni goccia a goccia dal diamante quantistico / Photons in drops from quantum Diamond
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa
Sorgenti ultraluminose di singoli fotoni, utili per applicazioni in campo quantistico, tramite l’elettroluminescenza su cristalli di diamante a temperatura ambiente. Se ne occupa uno studio uscito su New Journal of Physics. Media INAF ha intervistato uno dei due autori, Mario Agio, del LENS.
È stato pubblicato su New Journal of Physics uno studio, condotto da Dmitry Fedyanin del MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) e da Mario Agio del CNR-INO (nonché della University of Siegen, del LENS di Firenze e di QSTAR), che mostra come sia possibile, sollecitando con la tecnica della elettroluminescenza le impurità dei cristalli dei diamanti, emettere fotoni singoli a temperatura ambiente e con grande efficacia. Fino a qualche tempo fa, i candidati privilegiati per ottenere sorgenti di fotoni singoli erano punti quantici (quantum dots) che necessitano di azoto ed elio liquido per garantire un ambiente sempre raffreddato, con grande e costoso dispendio di energia. La novità è avere teorizzato, e poi sperimentato, la capacità di ottenere dalle impurità dei diamanti la produzione a richiesta di fotoni, con sollecitazione elettrica piuttosto che con il laser a alta energia.
Altra certezza era che alcuni punti dello strato cristallino dei diamanti sono “difettosi”, o meglio estranei al diamante, e si comportano in modo bizzarro. Si conosceva però la potenzialità di emissione di fotoni a temperatura ambiente di queste impurità: atomi come quelli di silicio o di azoto, per esempio, che entrano nel diamante in modo naturale o impiantati artificialmente.
Dal momento che non esistevano teorie che descrivessero l’emissione di fotoni dai centri di colore del diamante (le impurità), non era possibile stabilire il potenziale di queste fonti di fotoni singoli e verificare se potessero essere validi come base per strumenti quantistici del futuro. Sollecitate con l’elettroluminescenza, però, le impurità del diamante hanno prodotto singoli fotoni a temperatura ambiente.
Per capire meglio il fenomeno, e la sua eventuale portata in ambito tecnologico, abbiamo raggiunto Mario Agio. E la prima domanda che gli abbiamo fatto è sulla tecnica dell’elettroluminescenza.
«Il processo di elettroluminescenza consiste nell’applicare un voltaggio, cioè far passare una corrente che genera fotoni. Questo è un processo già studiato soprattutto nei semiconduttori e l’esempio più evidente è quello dei LED: la ricerca ha studiato questo tipo di dispositivi per le sorgenti di un singolo fotone e si è arrivati, in via sperimentale a utilizzare i punti quantici (quantum dots), realizzati con semiconduttori. Quello che noi abbiamo fatto è di andare studiare questo fenomeno nel diamante. Nonostante da anni sia forte l’interesse nell’utilizzo del diamante come emettitore di luce, non c’erano però studi teorici che spiegassero come questo processo avvenisse e quale tipo di prestazione si potevano ottenere. Abbiamo applicato delle metodologie in parte prese dalla fisica dei semiconduttori e opportunamente riviste per il diamante, che non è un semiconduttore, e abbiamo sviluppato un modello che potesse essere sia qualitativo che quantitativo, per le attese dei dati disponibili sul diamante, ovviamente da un punto di vista sperimentale».
«Quello che abbiamo trovato è che effettivamente un centro di colore nel diamante può essere una sorgente di luce quantistica molto efficace. Esperimenti preliminari sono stati fatti tre o quattro anni fa con dei risultati non troppo incoraggianti e questo però ha stimolato il nostro lavoro. L’emissione del singolo fotone è stata osservata ma con delle efficienze molto basse e quindi non si sapeva se questo fosse dovuto a una caratteristica intrinseca del processo della elettroluminescenza o se fosse dovuto a aspetti di tipo tecnologico sperimentale. La nostra ricerca ora dovrebbe, si spera, stimolare ulteriore ricerca in questa direzione per arrivare a delle sorgenti che siano molto più efficienti».Risultato?
Perché il diamante e non i semiconduttori?
«I semiconduttori si studiano da almeno una decina di anni e anche di più invece il diamante è un materiale con delle caratteristiche molto particolari che permettono di ottenere questi centri di colore che emettono fotoni, anche a temperature ambiente e con delle caratteristiche di purezza. In sostanza questi centri di colore in pratica sono molto simili a degli atomi in un sistema di stato solido, al contrario dei punti quantici. In un sistema quantistico questa condizione è la più desiderabile, consentendo di emettere fotoni con caratteristiche quantistiche superiori senza dover utilizzare criostati o accorgimenti particolari che vengono utilizzati tuttora per quantum dot, e per i dispositivi questo sarebbe importante».
In quali campi della vita quotidiana si potrebbero avere applicazioni?
«Per il momento vedo soprattutto due aspetti di immediato interesse: uno sarebbe quello della quantum communication o della quantum cryptography, già in fase avanzata di sperimentazione, dove però vengono utilizzati dei laser attenuati. Un laser attenuato è in prima approssimazione come una sorgente di singoli fotoni; tuttavia questa non è esattamente una sorgente di singoli fotoni mentre una sorgente di singoli fotoni permetterebbe di avere dei vantaggi per la sicurezza di questo tipo di comunicazione, che è l’aspetto più interessante di questa tecnologia. Quindi avere una sorgente di singoli fotoni molto luminosa è proprio quello che servirebbe per rendere questa tecnologia sicura e applicabile nella nostra società».
A proposito di applicazioni, che tempi (e costi) si possono prevedere per rendere disponibile questa tecnologia?
«L’aspetto più cruciale, rischioso e costoso sicuramente è il processo di drogaggio. Il diamante è un materiale molto difficile da trattare, bisogna crescerlo e renderlo un conduttore di elettroni o di lacune e per fare questo ci sono processi molto complessi che da diversi anni si cerca di perfezionare. Tutto nacque con l’idea di utilizzare il diamante per la microelettronica e oggi grazie a tutto questo sforzo possiamo pensare di farlo anche nel campo nelle tecnologie quantistiche. Da un punto di vista dello sviluppo della tecnologica oltre i costi, che non saprei quantificare, l’aspetto critico è quello delle scarse competenze per portare avanti queste conoscenze. A oggi sono pochissimi i gruppi che studiano queste tecnologie. Ci sono i giapponesi che sono i leader ma in Europa ci sono pochi i centri, oltre che in Belgio e in Germania non ci sono altri centri e servirebbero delle scelte strategiche europee per recuperare su questi tipi di competenza. Allo stesso tempo per una parte di ricerche sulla fotonica ci sono ancora investimenti e ricerche da fare, seppure di più modesto impatto rispetto alla costruzione di know how europeo».
Sarebbe più veloce la trasmissione rispetto alle attuali tecniche?
«Non credo che questo comporti una velocità di trasmissione perché alla fine la velocità di trasmissione è determinata dalla propagazione della luce… l’aspetto più importante è quello della qualità della sorgente che renderebbe il canale più robusto da utilizzare nella vita reale, che resta un aspetto limitante per l’applicazione di questi concetti nella vita reale».
ENGLISH
It was published in New Journal of Physics A study, conducted by Dmitry Fedyanin of MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) and Mario Agio CNR-INO (as well as the University of Siegen, the LENS of Florence and qstaR), which shows how it is possible, urging with the technique of electroluminescence impurities of the crystals of the diamonds, emit single photons at room temperature and with great efficiency. Until some time ago, the privileged candidates to obtain single-photon sources were quantum dots (quantum dots) that require nitrogen and liquid helium to ensure always a cooled environment, with large and expensive waste of energy. The novelty is to have theorized, and then experienced, the ability to get from the impurities of diamond production at the request of photons, with electrical stress rather than with a high-energy laser.
Another certainty was that some points of the crystalline layer of diamonds are "bad", or rather foreign to the diamond, and behave in bizarre ways. He however knew the potential emission of photons at room temperature of these impurities: atoms such as those of silicon or nitrogen, for example, entering the diamond naturally or artificially implanted.
Since there were no theories that were describing the emission of photons from Diamond color centers (impurities), it was not possible to establish the potential of these sources of single photons and verify if they could be valid as the basis for quantum tools of the future. Solicit with the electroluminescence, however, the impurities of the diamond have produced single photons at room temperature.
To better understand the phenomenon and its possible scope in technology, we have achieved Mario Agio. And the first question that we did on the electroluminescence technology.
"The electroluminescence of the process consists in applying a voltage, that is, to pass a current which generates photons. This is an already studied especially in the semiconductor and the most obvious example is that of the LED process: research has studied this type of devices for the sources of a single photon, and has arrived, on a trial basis using quantum dots (quantum dots), realized with semiconductors. What we have done is going to study this phenomenon in the diamond. Despite years is strong interest in the use of diamond as a light emitter, though there were no theoretical studies that explained how this process happen and what kind of performance could be obtained. We applied the methodology in part taken from the physics of semiconductors and suitably revised for the diamond, which is a semiconductor, and we have developed a model that could be both qualitative and quantitative, to the data available on the diamond expectations, obviously from a point experimentally. "
"What we found it is that actually a color center in diamond can be a very effective quantum light source. Preliminary experiments have been made three or four years ago with the results not very encouraging, and this however has stimulated our work. The emission of the single photon was observed but with very low efficiencies and therefore it was not known if this was due to an intrinsic characteristic of the process of electroluminescence or if it was due to technological aspects of experimental type. Our research should now, hopefully, stimulate further research in this direction to get to the springs that are much more efficient, ". Result?
Because the diamond and not semiconductors?
"The semiconductors are studied by at least a decade and even more instead of the diamond is a material with very particular characteristics that allow to obtain these color centers that emit photons, even at room temperature and with the purity characteristics. In essence these color centers in practice are very similar to the atoms in a solid state system, as opposed to quantum dots. In a quantum system, this condition is the most desirable, allowing to emit photons with higher quantum characteristics without using cryostats or special devices that are still used for quantum dot, and this would be important for the devices. "
In what areas of daily life could have applications?
odesto impact compared to the building of European know-how. "
It would be faster transmission than current techniques?
"I do not think this leading to a transmission rate because in the end the transmission rate is determined by the propagation of light ... the most important aspect is the quality of the source that would make it the most robust channel to use in real life, it remains a limiting aspect for the application of these concepts in real life ".
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