Ученые Передовой инженерной школы ЮФУ совместно со специалистами НИУ ВШЭ – Санкт-Петербург провели исследования, направленные на получение низкоплотных квантовых точек. Описанные подходы, опубликованные в журнале Applied Surface Science, могут использоваться для создания гетероструктур и источников квантового света на их основе, а те, в свою очередь, находят применение в системах квантовых коммуникаций, которые обеспечивают 100%-ную защиту передаваемой информации.

Ключевым элементом систем квантовых коммуникаций и квантовых вычислений с использованием фотонов являются так называемые источники одиночных и запутанных фотонов. Чтобы подобный источник мог излучать свет по одному фотону или по паре фотонов, необходимо, чтобы в его активной области была лишь одна квантовая точка, что существующими методами сделать довольно сложно (обычно их в 100-1000 раз больше). Еще сложнее – получить такую точку, которая излучала бы в телекоммуникационных диапазонах О (~1,3 мкм) и С (~1,5 мкм), совместимых с современной оптоволоконной технологией и фотонными интегральными схемами на основе кремния.

Одним из перспективных, но технологически существенно более сложных способов получения таких структур является предварительное структурирование эпитаксиальной поверхности путем создания на ней углублений, в которых происходит зарождение и рост квантовых точек.

«Нашим исследовательским коллективом предложен новый и относительно простой метод получения таких структурированных подложек. В основу работы легла идея о том, что если удаление оксидной пленки на поверхности GaAs определяется взаимодействием ее компонентов с атомами галлия, высвобождающимся в ходе термического разложения (фактически – травления) материала подложки (GaAs), то, модулируя интенсивность этих процессов, можно управлять параметрами результирующей морфологии, в том числе образующихся углублений», – рассказал ведущий научный сотрудник дивизиона «Электроника» Передовой инженерной школы ЮФУ, руководитель молодежной лаборатории Максим Солодовник.

Изменяя температуру подложки, давление паров мышьяка, а также толщину оксидной пленки, можно регулировать размер и форму создаваемых углублений, а также шероховатость поверхности. Такая структурированная поверхность позволяет получать квантовые точки в режимах, при которых на «обычной» поверхности они не образуются. Кроме того, поскольку материал стремится заполнить сформированные ямки, то и размер таких точек, а значит, и длина волны излучаемого ими света, может быть больше, чем в альтернативных методиках.

«Первые эксперименты показали, что мы можем получать точки, испускающие свет на длине волны до 1080 нм при температуре жидкого гелия, в то время как альтернативные методики обеспечивают длину волны на уровне 950 нм. Мы считаем, что оптимизация предложенного подхода, а также использование имеющихся в эпитаксиальной технологии инструментов, позволят в дальнейшем сдвинуть диапазон излучения таких квантовых точек, как минимум, в О-диапазон», – добавил Максим Солодовник.

Полученные данные будут востребованы предприятиями, входящими в контур ГК «Ростех» и ГК «Росатом», и являются важным результатом в области фотоники – направления, включенного в качестве приоритетного в стратегию развития инженерного образования ЮФУ до 2036 года. Работа ведётся в молодёжной лаборатории, созданной в рамках национального проекта «Наука и университеты» и поддержанной федеральным проектом «Передовые инженерные школы», который помогает сфокусировать имеющийся научно-технологический потенциал и кадровый состав преимущественно молодых специалистов и студентов для обеспечения прорывных фундаментальных исследований и системной разработки востребованных технологических решений,  трансформировать инженерное образование университета в школу мирового уровня по подготовке конструкторов, технологов и программистов, способных решать крупные отраслевые задачи в области передовых технологий  РТК.

Текст: Максим Солодовник, Тимур Пацюк