The Signal
Iniezione di spin associata a fluttuazioni a due fotoni nei punti quantici
Uno studio su punti quantici eccitati elettricamente ha rilevato che le statistiche di emissione a due fotoni fluttuavano durante gli impulsi di eccitazione quando l’iniezione di spin era attiva, mentre i conteggi dei singoli fotoni seguiva
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un campione di punti quantici ha mostrato un grado medio di polarizzazione dei fotoni di circa il 21%, insieme a fluttuazioni nelle statistiche di emissione a due fotoni durante l’eccitazione elettrica. In uno studio pubblicato su arXiv il 29 ottobre, i ricercatori riferiscono che gli eventi a due fotoni hanno presentato fluttuazioni in diversi momenti durante un impulso elettrico, mentre gli eventi a singolo fotone hanno seguito una curva più regolare. Le fluttuazioni sono scomparse dopo la smagnetizzazione dello strato di iniezione di spin, collegando l’effetto ai portatori polarizzati in spin senza identificare il processo microscopico che ne è alla base.
Gli eventi a due fotoni si discostano dal profilo dell’impulso
L’esperimento ha utilizzato punti quantici InGaAs/GaAs dotati di contatti elettrici in un diodo a emissione luminosa basato sullo spin. Uno strato ferromagnetico di CoFeB, separato dal semiconduttore da una barriera tunnel di MgO, inietta elettroni polarizzati in spin; la sua anisotropia magnetica perpendicolare consente l’iniezione di spin senza applicare un campo magnetico. I ricercatori hanno pilotato il dispositivo con impulsi di tensione della durata di circa 20 nanosecondi e hanno raccolto la luce emessa.
Per distinguere gli eventi in base al numero di fotoni e al momento in cui si verificavano, il gruppo ha utilizzato un interferometro Hanbury Brown–Twiss esteso con quattro rivelatori di singoli fotoni. I rivelatori possono, in linea di principio, distinguere eventi fino a tre fotoni, ma lo studio ha analizzato gli eventi a uno e due fotoni perché la misurazione dello stato a tre fotoni richiederebbe tempi di acquisizione troppo lunghi per essere praticabili. Una finestra di coincidenza di 500 picosecondi ha permesso di identificare gli eventi a due fotoni e la raccolta di ciascun insieme di dati ha richiesto otto ore.
Nel campione polarizzato in spin, i conteggi dei singoli fotoni risolti nel tempo hanno seguito un profilo regolare, mentre quelli a due fotoni hanno mostrato marcate deviazioni. Questo andamento non è comparso nelle misurazioni effettuate dopo la smagnetizzazione del campione, una procedura che ha reso casuale l’orientamento dei domini magnetici e ha eliminato la polarizzazione netta dell’iniezione di spin, lasciando invariati il dispositivo e l’eccitazione.
Il confronto isola l’iniezione di spin
I totali grezzi degli eventi differivano tra le due condizioni: il campione polarizzato ha prodotto 3,8 × 108 eventi a singolo fotone e 7 × 104 eventi a due fotoni; il campione non polarizzato ne ha prodotti rispettivamente 5,1 × 108 e 3 × 105. Il risultato non consiste in un semplice aumento del numero di eventi a due fotoni quando gli spin si allineano. La differenza rilevata riguarda il loro profilo temporale: le fluttuazioni compaiono con l’iniezione di spin e si attenuano dopo la smagnetizzazione.
Questa differenza è importante perché un’unica statistica media può nascondere le dinamiche all’interno di un impulso di eccitazione. Gli autori osservano che la correlazione di intensità convenzionale a ritardo zero, g(2)(0), calcola una media sull’intero impulso e potrebbe non cogliere il comportamento dettagliato di un insieme di emettitori. La loro misurazione, risolta nel tempo e sensibile al numero di fotoni, rivela invece che gli eventi a uno e a due fotoni possono avere andamenti temporali distinti.
Una spiegazione basata sull’emissione cooperativa, non un meccanismo
I ricercatori ipotizzano che l’allineamento degli spin possa rendere più probabile l’emissione cooperativa tra più punti quantici. La loro interpretazione si basa sulla scomparsa delle fluttuazioni a due fotoni quando viene eliminata l’iniezione netta di spin, insieme a un modello che riproduce i profili misurati. Il grado medio di polarizzazione dei fotoni del campione era di circa il 21%; gli autori stimano che, in un dato momento, sia probabile che meno di 10 emettitori partecipino all’emissione cooperativa.
Il modello è volutamente fenomenologico. Rappresenta gli eventi a due fotoni mediante operatori di collasso congiunti che fanno decadere insieme coppie di emettitori, ma lo studio afferma che tali operatori non derivano da una trattazione standard del sistema e non sono un canale di decadimento noto. La simulazione utilizza tre emettitori con spin allineati e un parametro regolabile scelto in modo da riprodurre il rapporto misurato tra eventi a singolo fotone e a due fotoni.
«Il meccanismo microscopico che accoppia gli emettitori non viene qui identificato; tuttavia, gli operatori di collasso congiunti nell’equazione (3) ne descrivono l’effetto in modo fenomenologico».
Chiran Wijesundara et al., autori dello studio
Che cosa significa il risultato per le sorgenti elettriche
L’eccitazione elettrica offre una via per realizzare sorgenti luminose a punti quantici che non dipendono da un laser di pompaggio esterno, consentendo al contempo di controllare la durata e la forma degli impulsi. I risultati suggeriscono che l’iniezione di spin potrebbe influenzare più della sola polarizzazione circolare dei fotoni emessi: potrebbe anche determinare le statistiche dei fotoni di ordine superiore, un aspetto da considerare per i dispositivi destinati a sopprimere gli eventi a più fotoni o a generare stati con un numero maggiore di fotoni.
Il risultato è una misurazione su un insieme di emettitori, non la dimostrazione di una sorgente controllata di due fotoni da un singolo punto quantico. Lo studio riferisce inoltre un funzionamento al di sotto di 100 kelvin e il processo cooperativo proposto necessita ancora di una spiegazione microscopica. È possibile misurare e controllare le stesse fluttuazioni in un singolo emettitore e quale interazione fisica accoppia i punti quantici quando i loro spin si allineano?