Une équipe de recherche à l’université de la Californie chez Santa Barbara (UCSB), dirigée par le Professeur Dirk Bouwmeester, a créé une source innovante de photon unique (« single-photon ») en utilisant un dispositif semi-conducteur qui peut émettre à la demande des photons à une fréquence de 31Mhz. Les chercheurs utilisent une boite quantique (« quantum-dot ») pour obtenir une source émettant à une fréquence 5 fois supérieure à ce qui avait été réalisé auparavant, mais surtout plus lumineuse, puisque l’efficacité d’extraction lumineuse atteint 38%.
En outre, en utilisant une source laser continue et non pulsée, la fréquence d’émission atteint 116Mhz, mais le dispositif ne correspond plus à une source d’émission à la demande.
Tout en se basant sur un design classique pour ce genre d’expérience, des innovations ont été nécessaires pour atteindre ce résultat. Tout d’abord, la cavité qui sert à confiner la lumière, a été redessinée en utilisant des formes bien spécifiques afin de confiner plus fortement la lumière autour de la boite quantique, et donc d’améliorer la fréquence d’émission des photons.
Ensuite, leur nouvelle technique de fabrication des cavités, ne se basant pas sur des micro-piliers, mais sur l’utilisation de tranchées creusées autour d’un motif central, permet de créer des ouvertures plus précises et solides, de l’ordre de 20 microns, avec des ouvertures en oxyde d’aluminium, ce qui améliore le confinement. De plus, en utilisant des contacts électriques sur ces ouvertures, l’équipe a montré la modification de la polarisation du photon émis, ce qui est très intéressant pour la cryptographie quantique.
Enfin, une des améliorations essentielles apportés par les travaux de cette équipe se trouve dans l’élimination des états noirs (« dark states »). Lors de la formation d’excitons par la boite quantique, ceux qui ont un spin valant un peuvent émettre lors de la recombinaison des paires, alors que ceux qui ont un spin de deux ne peuvent pas rien émettre. Pour arriver à ce résultat, la boite quantique est “pré-chargée” avec un électron. Lors de l’absorption d’une paire électron-trou, deux électrons sont présents dans la boîte, et doivent avoir des valeurs de spins opposées, selon le principe de Pauli. Cela permet d’aider l’exciton à se recombiner dans l’état lumineux.
Malgré le fait que les expériences soient faites à basse température et que les fréquences peuvent encore être augmentées, ce travail est une avancée importante dans ce domaine.