एक हालिया अध्ययन से पता चलता है कि टोपोलॉजिकल फोटोनिक्स1 ठोस-अवस्था एकल-फोटॉन स्रोतों के विकास में एक प्रमुख चुनौती को संबोधित करने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान कर सकता है2. क्वांटम डॉट (क्यूडी) एकल-फोटॉन स्रोत प्रारंभिक माइक्रोपिलर गुहाओं से विकसित हुए हैं3 और फोटोनिक क्रिस्टल संरचनाएं4 आज के लोकप्रिय गोलाकार ब्रैग झंझरी के लिए5. हालाँकि, ये “पारंपरिक” डिज़ाइन कई सामान्य चुनौतियाँ साझा करते हैं। वे अत्यधिक विनिर्माण परिशुद्धता की मांग करते हैं, जिससे लागत बढ़ जाती है और पैदावार कम हो जाती है। एम्बेडेड QDs के यादृच्छिक वितरण के लिए जटिल पोजिशनिंग तकनीकों की आवश्यकता होती है6 गुहा मोड के साथ प्रभावी स्थानिक युग्मन प्राप्त करने के लिए, उनके वर्णक्रमीय युग्मन का उल्लेख करने के लिए भी नहीं। इसलिए, वे व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अभी तक मजबूत नहीं हैं7.
हाल के नवाचार, जैसे ट्यून करने योग्य फैब्री-पेरोट माइक्रोकैविटी8,9विशिष्ट सीमाओं को संबोधित किया है लेकिन मजबूती की समस्या को मौलिक रूप से हल नहीं किया है। यहीं पर टोपोलॉजिकल फोटोनिक्स एक संभावित समाधान प्रदान करता है10. पारंपरिक डिज़ाइनों के विपरीत जो सटीक ज्यामितीय नियंत्रण पर निर्भर होते हैं11टोपोलॉजिकल सुरक्षा संरचनात्मक विकारों और बिखरने वाले नुकसानों के लिए आंतरिक प्रतिरक्षा प्रदान करती है, जो व्यावहारिक क्वांटम फोटोनिक उपकरणों के लिए गेम-चेंजिंग लाभ हो सकता है।
माओ एट अल द्वारा कार्य का प्रमुख नवाचार। थोक राज्यों को पार्श्व में सीमित करने के लिए “बैंड-उलटा-प्रेरित प्रतिबिंब” का शोषण करना निहित है2. विपरीत टोपोलॉजिकल गुणों (तुच्छ और गैर-तुच्छ क्षेत्रों) के साथ दो फोटोनिक क्रिस्टल को इंटरफेस करके, चित्र 1 ए देखें, Γ बिंदु के पास प्रकाश तरंगें टोपोलॉजिकल सीमा पर प्रतिबिंब का अनुभव करती हैं, जो पारंपरिक ज्यामितीय अनुनाद तंत्र पर भरोसा किए बिना प्रभावी कारावास बनाती हैं। इस दृष्टिकोण को सबसे पहले टोपोलॉजिकल बल्क लेजर विकसित करने में नियोजित किया गया था12,13 और इससे दो महत्वपूर्ण लाभ मिलते हैं। सबसे पहले, संवेग स्थान में Γ बिंदु के पास कारावास होता है, जो स्वाभाविक रूप से न्यूनतम विचलन के साथ ऊर्ध्वाधर उत्सर्जन उत्पन्न करता है। यह ऑप्टिकल फाइबर में कुशल फोटॉन निष्कर्षण के लिए आदर्श है। दूसरा, इन राज्यों की थोक प्रकृति (स्थलीय रूप से संरक्षित) उन्हें किनारे/कोने की अनियमितताओं के खिलाफ स्वाभाविक रूप से मजबूत बनाती है, उदाहरण के लिए चित्र 1बी में “क्यू”-आकार की अनियमितता देखें। माओ एट अल. क्वांटम फोटोनिक्स में थोक टोपोलॉजिकल राज्यों की क्षमता साबित हुई। उन्होंने एकल InAs/GaAs QD को टोपोलॉजिकल बल्क कैविटी से जोड़कर एकल-फोटॉन स्रोत को डिज़ाइन और प्रदर्शित किया, चित्र 1c देखें।
ए टोपोलॉजिकल बल्क कैविटी का डिज़ाइन। तुच्छ और गैर-तुच्छ फोटोनिक क्रिस्टल (पीसी) क्षेत्रों में विपरीत मोडल समानताएं होती हैं (इनसेट, अनुमति के साथ रेफरी 2 से अनुकूलित), जिससे बैंड-उलटा-प्रेरित प्रतिबिंब (तीरों द्वारा इंगित) होता है और प्रकाश का एक प्रभावी इन-प्लेन कारावास बनता है। बी मजबूती साबित करने के लिए, एक संरचनात्मक विकार/अनियमितता पेश की गई। सी GaAs वेफर पर निर्मित एक गढ़े हुए ‘Q’ आकार के टोपोलॉजिकल बल्क कैविटी की SEM छवि। गुहा एक तुच्छ पीसी (नारंगी) से बना है जो एक टोपोलॉजिकल पीसी (बैंगनी) से घिरा हुआ है। दो अलग-अलग QD की जांच की गई। रेफरी से अनुकूलित. 2 अनुमति के साथ
मजबूती के अलावा, इस डिज़ाइन का एक उल्लेखनीय लाभ सटीक QD पोजिशनिंग के उपयोग से बचना है, चित्र 1c देखें। पारंपरिक उच्च-क्यू गुहाओं के लिए क्यूडी को फ़ील्ड मैक्सिमा के दसियों नैनोमीटर के भीतर स्थित करने की आवश्यकता होती है, जो कम संभावना, उच्च लागत वाला प्रयास है।5,6. इसके विपरीत, टोपोलॉजिकल बल्क कैविटीज़, अपने मध्यम क्यू कारकों (~100) और विस्तारित मोड क्षेत्रों के साथ, 2.5 माइक्रोन में 1.6 से ऊपर पर्सेल कारक प्राप्त कर सकते हैं।2 क्षेत्र. यह विनिर्माण जटिलता को कम करते हुए युग्मन संभावनाओं को नाटकीय रूप से बढ़ाता है। चित्र 1सी में, अलग-अलग स्थानों पर दो अलग-अलग क्यूडी की जांच की गई, और उनके विकिरण गुणों को टोपोलॉजिकल गुहाओं द्वारा समान रूप से संशोधित किया गया। जबकि प्राप्त परसेल वृद्धि कारक अत्याधुनिक गुहाओं की तुलना में मामूली है, मजबूती एक मौलिक व्यापार-बंद का प्रतिनिधित्व करती है जो निर्माण जटिलता पर व्यावहारिक अनुप्रयोगों का पक्ष लेती है। जैसा कि पहले चर्चा की गई है, टोपोलॉजिकल बल्क राज्य उत्सर्जन की ऊर्ध्वाधर दिशात्मकता भी एक मुख्य आकर्षण है। यह 6.2° विचलन के साथ ऊर्ध्वाधर उत्सर्जन उत्पन्न करता है, रिफ्लेक्टर के साथ एकीकृत होने पर 92% तक सिम्युलेटेड निष्कर्षण क्षमता प्राप्त करता है।
प्रदर्शित तकनीक परिपक्व III-V सेमीकंडक्टर प्रक्रियाओं पर आधारित है, उदाहरण के लिए, आणविक बीम एपिटेक्सी, इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी और नक़्क़ाशी। यह मौजूदा औद्योगिक निर्माण बुनियादी ढांचे के साथ अनुकूलता सुनिश्चित करता है। अनियमित गुहा सहनशीलता अर्धचालक उत्पादन प्रक्रियाओं में बाधाओं को कम करेगी। समतलीय ज्यामिति इलेक्ट्रॉनिक संपर्कों के साथ एकीकरण की सुविधा प्रदान करती है, जिससे गोलाकार ब्रैग झंझरी के लिए आवश्यक जटिल ब्रिजिंग संरचनाओं के बिना विद्युत रूप से ट्यून करने योग्य स्रोतों को सक्षम किया जा सकता है।14.
टोपोलॉजिकल फोटोनिक्स और सेमीकंडक्टर क्वांटम प्रकाश स्रोतों के संयोजन में हाल के वर्षों में उल्लेखनीय प्रगति देखी गई है, वर्तमान अध्ययन में एकल फोटॉन निष्कर्षण के लिए टोपोलॉजिकल बल्क राज्यों की रिपोर्ट दी गई है। इस संदर्भ में, टोपोलॉजिकल सुरक्षा द्वारा प्रदान की गई आंतरिक मजबूती रिकॉर्ड-ब्रेकिंग प्रदर्शन प्राप्त करने या नई भौतिकी की खोज में समान रूप से मूल्यवान साबित हो सकती है। यह कई पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी प्लेटफार्मों से टोपोलॉजिकल दृष्टिकोण को अलग करेगा।
आगे देखते हुए, “टोपोलॉजिकल क्वांटम फोटोनिक्स” के इस उभरते क्षेत्र में कई चुनौतियों का समाधान किया जाना चाहिए। हाल के समान कार्यों में एकल-फोटॉन स्रोतों का प्रदर्शन अभी भी मध्यम है15,16,17फोटोनिक्स डिज़ाइन और सामग्री इंजीनियरिंग के और अधिक अनुकूलन के माध्यम से सुधार की पर्याप्त गुंजाइश का संकेत देता है। व्यक्तिगत घटकों से पूर्ण विकसित टोपोलॉजिकल क्वांटम फोटोनिक प्लेटफ़ॉर्म में परिवर्तन महत्वपूर्ण एकीकरण चुनौतियाँ प्रस्तुत करता है। इस तरह के प्लेटफ़ॉर्म में, उदाहरण के लिए, स्थानिक और वर्णक्रमीय रूप से बहुसंकेतन टोपोलॉजिकल सिंगल-फोटॉन और उलझे-फोटॉन स्रोतों, ऑन-चिप वेवगाइड्स, राउटर और डिटेक्टरों की सरणियाँ शामिल होंगी। चुनौतियाँ होंगी, बस यहाँ कुछ का नाम बताएं, अंतर-घटक हानियों को कम करना, वर्णक्रमीय मिलान का प्रबंधन करना, अस्थायी सिंक्रनाइज़ेशन सुनिश्चित करना और संभवतः, पूरे एकीकृत सिस्टम में टोपोलॉजिकल सुरक्षा को बनाए रखना।
