Método faz pontos quânticos que amplia tecnologias baseadas em luz

Texto por José Tadeu Arantes da Agência FAPESP

Tecnologias quânticas baseadas em luz –como comunicação quântica e computação quântica fotônica– precisam de fontes confiáveis de fótons individuais e, idealmente, de pares de fótons emaranhados. Os pontos quânticos semicondutores são candidatos promissores para isso. Eles consistem em nanoestruturas, com condutividade elétrica situada entre a de isolantes e a de condutores, capazes de confinar elétrons e lacunas. Tal propriedade faz com que emitam luz em frequências bem definidas quando excitados por laser.

Mas os métodos tradicionais de fabricação apresentam limitações importantes: densidade muito alta de pontos, que torna difícil isolar um único emissor; assimetrias estruturais que prejudicam o emaranhamento; tempos de emissão relativamente longos; “ruído” eletrônico que reduz a qualidade da luz. O desafio é fabricar pontos quânticos mais simétricos, mais rápidos, mais previsíveis e que emitam luz em comprimentos de onda mais adequados para dispositivos fotônicos integrados.

Um estudo conduzido por cooperação internacional tendo como primeiro autor o pesquisador Saimon Filipe Covre da Silva, do IFGW-Unicamp (Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas), demonstrou uma nova estratégia para fabricar pontos quânticos semicondutores capazes de emitir luz em comprimentos de onda mais longos, mantendo propriedades ópticas consideradas ideais para aplicações em tecnologias quânticas, como simulação, comunicação segura e computação fotônica. Artigo a respeito foi publicado no periódico Nano Letters.

“Nosso trabalho mostrou que é possível produzir pontos quânticos de arseneto de índio-gálio [InGaAs] em arseneto de alumínio-gálio [AlGaAs] com baixa densidade superficial, rápida emissão de fótons e alta simetria estrutural, características essenciais para fontes de fótons únicos e emaranhados sob demanda”, diz Silva.

Até hoje, muitos dos experimentos pioneiros em óptica quântica utilizaram pontos quânticos de InGaAs crescidos pelo método SK (Stranski-Krastanow). Trata-se de um regime de crescimento epitaxial, em que um cristal cresce sobre outro cristal seguindo a orientação cristalográfica do substrato, isto é, com alinhamento definido pela rede cristalina da base. Os físicos búlgaros Ivan Stranski (1897-1979) e Lyubomir Krastanov (1904-1971) formularam, ainda nos anos 1930, um modelo teórico que descreve a transição do crescimento em camadas para a formação de ilhas tridimensionais. Nos experimentos mencionados, essas ilhas constituem os pontos quânticos.

Embora eficiente, o método produz pontos quânticos com os inconvenientes já mencionados: densidade superficial elevada, grande variabilidade estrutural, tempos de vida radiativos relativamente longos, em torno de 1 nanossegundo. E também com a indesejável preservação daquilo que, no jargão técnico, é chamado de “camada molhante” (wetting layer, em inglês), isto é, da fina camada inicial, contínua e bidimensional do material depositado, que “molha” o substrato, antes que, ao se alcançar uma espessura crítica, o crescimento deixe de ocorrer de forma plana para dar origem às ilhas tridimensionais. Os materiais crescidos apresentam tamanhos diferentes e crescem tensionados. Por causa dessa tensão se formam as ilhas, porém a tensão traz desvantagens para as fontes de luz.

Tais características dificultam o endereçamento óptico de pontos individuais e podem introduzir decoerência, prejudicando aplicações que exigem fótons únicos ou pares de fótons emaranhados. Por isso, nos últimos anos, ganhou destaque uma abordagem alternativa, conhecida como LDE (local droplet etching), “escavação local por gotículas”. Nesse método, pequenas gotículas metálicas, tipicamente de gálio ou alumínio, são formadas durante o crescimento epitaxial, criando nanocavidades quase idênticas na superfície do material. Posteriormente, essas cavidades podem ser preenchidas de forma controlada, dando origem a pontos quânticos altamente simétricos e com densidade ajustável.

Até agora, essa técnica havia sido explorada principalmente para produzir pontos quânticos de GaAs (arseneto de gálio) em AlGaAs (arseneto de alumínio-gálio), cuja emissão óptica é limitada a comprimentos de onda próximos de 815 nanômetros, valor imposto pelo gap do GaAs em baixas temperaturas. O novo estudo amplia esse horizonte. “Mostramos que, ao preencher as nanocavidades escavadas em arseneto de alumínio-gálio com uma fina camada, de cerca de 1 nanômetro, de arseneto de índio-gálio, é possível obter pontos quânticos quase livres de deformação mecânica e com propriedades ópticas excelentes”, pontua o pesquisador.

A fração nominal de In (índio) variou entre 0,1 e 0,4, permitindo ajustar o comprimento de onda de emissão. As medições por microfotoluminescência revelaram uma densidade superficial extremamente baixa, da ordem de 0,2 a 0,3 ponto quântico por μm⁻² (micrômetro quadrado). Ao mesmo tempo, os pontos quânticos exibiram tempos de vida radiativos extremamente curtos, próximos de 300 ps (picossegundos), cerca de 3 vezes menores do que os observados em pontos quânticos de arseneto de índio-gálio crescidos pelo método Stranski-Krastanow no mesmo intervalo espectral.

Um dos principais resultados do trabalho é a extensão do comprimento de onda de emissão. Ao aumentar a concentração índio, os pesquisadores observaram um deslocamento progressivo da emissão, que pôde ser ajustada entre 780 e aproximadamente 900 nanômetros, a temperaturas criogênicas em torno de 10 K (kelvin). “Esse intervalo é particularmente relevante para a fotônica integrada, pois perdas ópticas por espalhamento e absorção em estruturas de AlGaAs diminuem com o aumento do comprimento de onda. Além disso, essa faixa espectral é compatível com tecnologias ópticas já desenvolvidas para pontos quânticos convencionais de InGaAs”, comenta Silva.

Outro parâmetro crucial analisado foi a FSS (estrutura fina excitônica, ou fine structure splitting, em inglês). Essa grandeza é determinante para a geração de pares de fótons emaranhados por polarização. O estudo apresentou valores comparáveis aos melhores resultados obtidos com pontos quânticos de GaAs por escavação por gotículas. Em termos práticos, valores tão pequenos indicam alto potencial para aplicações em criptografia quântica e redes quânticas, nas quais o emaranhamento é um recurso central. O experimento mostrou que a fonte de luz quase nunca emite dois fótons ao mesmo tempo, mas sim um de cada vez –exatamente o comportamento esperado de uma fonte confiável de fótons únicos.

“A combinação de baixa densidade, alta simetria, emissão rápida e comprimento de onda estendido torna esses novos pontos quânticos particularmente promissores para fotônica quântica integrada. Além disso, a maior separação energética entre os níveis eletrônicos s e p, que chega a ser até duas vezes maior do que em pontos quânticos de GaAs, pode permitir a operação de dispositivos quânticos a temperaturas significativamente mais altas – acima de 40 K”, destaca Silva.

Em conjunto, os resultados apontam para uma nova geração de fontes de luz quântica no estado sólido, mais robustas contra efeitos de decoerência e mais compatíveis com arquiteturas escaláveis de dispositivos quânticos.

O estudo foi apoiado pela FAPESP por meio do projeto “Fontes de fóton único de estado sólido para frequências de telecomunicações” (processos 24/08527-2 e 24/21615-8), vinculado ao Programa QuTIa em Tecnologias Quânticas – Jovens Pesquisadores.

O artigo Low-density InGaAs/AlGaAs quantum dots in droplet-etched nanoholes pode ser acessado aqui.

Com informações da Agência Fapesp.