L’equip coordinat per Guillermo Muñoz Matutano, recentment reincorporat a l’ICMUV, ha publicat en la revista Communications Physics, de l’editorial Nature Publishing Group, el disseny, la construcció, la mesura experimental i la simulació d’aquest interruptor de fotons.

El principi d’operació del dispositiu es basa en la tecnologia de semiconductors nanoestructurats de confinament quàntic, que són xicotetes estructures de grandària nanomètrica capaces d’absorbir i d’emetre llum. Les propietats òptiques d’aquests materials, anomenats punts quàntics, són semblants a les dels àtoms aïllats i la seua emissió de llum es produeix fotó a fotó. Resulten molt interessants per a desenvolupar tecnologies quàntiques, ja que els fotons aïllats o parelles de fotons es poden utilitzar per a reproduir estats de superposició o d’entrellaçament.

En l’actualitat, un dels desafiaments científics i tecnològics en aquest camp es dirigeix cap al desenvolupament de portes lògiques i circuits òptics que puguen realitzar operacions amb fotons, i d’aquesta forma treballar i modificar la informació sota la descripció quàntica. Per això, resulten necessaris eines i materials que puguen afectar l’emissió dels fotons de manera individual. De tots ells, els que manipulen i controlen els fotons usant llum són molt interessants, ja que es poden construir sistemes encadenats o poden representar grans reduccions de consum energètic. Aquest és el cas dels dispositius tot-òptics (de l’anglès, All-optical).

La idea principal del treball va sorgir a través d’una col·laboració amb l’investigador Massimo Gurioli, de la Universitat de Florència i del Laboratori Europeu d’Espectroscòpia no Lineal. Sota aquesta col·laboració es van estudiar els processos d’acumulació i saturació de la càrrega en punts quàntics d’arsenur d’indi (InAs) en funció de la potència i el color del làser d’il·luminació.

Una de les propietats destacades del nou dispositiu és que juntament amb la commutació temporal es pot afegir una commutació del color del fotó emès (la seua longitud d’ona) si s’empren dos làsers diferents. Aquesta qualitat permet pensar en dispositius per a multiplexar fotons per longitud d’ona (combinar dos o més canals d’informació en un mitjà de transmissió), de manera que cada color del fotó s’associe amb un d’aquests canals. Finalment, el principi físic pel qual opera el dispositiu el compleixen moltes altres nanoestructures de confinament quàntic, per la qual cosa aquest nou disseny representa un esquema general que pot ser implementat en una gran varietat de plataformes semiconductores.

La investigació duta a terme per una xarxa d’universitats, inclou la Unitat de Materials i Dispositius Optoelectrònics (UMDO) de l’ICMUV, que lidera Juan P. Martínez Pastor, catedràtic del Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme. Els materials principals del dispositiu els va fabricar el grup de Lucca Saravalli, investigador del CNR italià, mentre que la simulació del seu funcionament es va realitzar a través d’una col·laboració amb Mattias Johnsson i Thomas Volz, de l’ARC Engineered Quantum Systems (EQUS) d’Austràlia, on Guillermo Muñoz ha treballat com a investigador sènior els 3 últims anys.

Guillermo Muñoz és investigador principal del projecte “Punts fotònics amb semiconductors bidimensionals”, finançat per l’última convocatòria de Projectes d’I+D+i «Reptes investigació» corresponents al programa Estatal d’I+D+i Orientada als Reptes de la Societat. L’objectiu d’aquest projecte és desenvolupar nous dispositius optoelectrònics dins dels àmbits de les noves tecnologies quàntiques basades en semiconductors de baixa dimensionalitat.

Article:

G. Muñoz-Matutano, M. Johnsson, J. Martínez-Pastor et al. “All optical switching of a single photon stream by excitonic depletion”. Commun Phys 3, 29 (2020). DOI https://doi.org/10.1038/s42005-020-0292-8

Enllaç: https://www.nature.com/articles/s42005-020-0292-8

Grup d’investigació Optoelectronic Materials and Devices Unit:

https://www.uv.es/umdo/

Peus de fotografia annex:

- Interpretació artística del funcionament de l’interruptor de fotons tot-òptic. Un primer làser (cw) bomba un punt quàntic semiconductor. Un segon làser premut actua com a senyal de control. Quan arriba al punt quàntic aquest segon làser, el dispositiu inhibeix l’emissió d’un fotó.