25442

طراحي، شبيه سازي و ساخت گسيلنده نوري تك فوتون نقطه كوانتومي به منظور استفاده در پردازش اطلاعات كوانتومي

دكتري

مهندسي برق الكترونيك

1400/7/27

دكتر شهرام محمدنژاد

مهندسي برق

يكي از جذاب ترين و چالش برانگيزترين حوزه هاي تحقيقاتي، توجه به توسعه ي فناوري فوتونيك كوانتومي است. در همين راستا طراحي، ساخت و توسعه ي منابع گسيلنده ي تك فوتوني از مهمترين اقداماتي است كه در راستاي تحقق مخابرات، محاسبات و پردازش اطلاعات كوانتومي مورد نياز مي باشد. يكي از اساسي ترين چالش ها در اين راستا، طراحي، شبيه سازي و پياده سازي يك منبع تك فوتون قطعي ايده آل مي باشد كه بتواند تك فوتون هاي با توزيع كوانتومي را متناسب با پنجره هاي مخابراتي فضاي آزاد (800~ نانومتر) و يا پنجره هاي انتقال در فيبر نوري (1330 – 1550 نانومتر) توليد نمايند. بدين منظور در ساليان اخير، روش هاي مختلفي براي توليد منابع تك فوتون معرفي شده اند. از بين روش هاي معرفي شده، استفاده از نقاط كوانتومي گرافني، يكي از جديدترين روش ها به منظور توليد منابع تك فوتوني مي باشد كه هر دو چالش عمل كرد در دماي پايين و نياز به تجهيزات پيشرفته و گران قيمت به منظور تحقق افزاره هاي مبتني بر نقاط كوانتومي نيمه رسانا هاي تركيبي را برطرف خواهد نمود. از آن جايي كه نقاط كوانتومي گرافني قادر به گسيل نور در محدوده هاي مادون قرمز نزديك نيستند و بنابراين نمي توانند در كاربردهاي مخابرات كوانتومي فضاي آزاد مورد استفاده قرار گيرند، در اين رساله تلاش مي شود تا اثر همزمان آلايش نقاط كوانتومي گرافني با اتم هاي سلنيوم و نيز عامل دار كردن ساختار با گروه هاي عاملي نيتروژن دار به منظور بررسي تغييرات در طيف نشري ساختار مورد بررسي قرار گيرد. در اين راستا، در بخش شبيه سازي با استفاده از نرم افزار شبيه سازي اتمي گوسين، در ابتدا ساختار نقاط كوانتومي طراحي مي شود و انرژي حالت پايه ي كل سامانه محاسبه شده و سامانه در كمترين انرژي ممكن قرار مي گيرد. سپس با محاسبه ي انرژي اوربيتال هاي مولكولي و شكل اوربيتال هاي مولكولي و نحوه ي اشغال الكترون ها، همچنين ميزان بار الكتريكي روي تك تك اتم ها، ممان دوقطبي كل ساختار و نيز چگالي حالات بر حسب انرژي هاي مختلف در ساختار مشخص شده و شكاف انرژي سامانه به دست مي آيد. در ادامه با محاسبات وابسته به زمان نظريه تابعيت چگالي، 20 حالت ابتدايي ترازهاي انرژي برانگيخته، سهم هر كدام از حالات در گذارهاي حامل ها و ضرايب حاصل از انتقالات بين ترازهاي مختلف محاسبه شده است و با توجه به نتايج حاصل از اين قسمت، طيف نشري ساختارها به دست آمده است. با توجه به نتايج به دست آمده از شبيه سازي هاي اتمي، براي نقطه ي كوانتومي گرافني، طول موج نشري 484.8 نانومتري به دست آمده است كه با دقت بسيار بالايي با نتايج حاصل از سنتز اين ساختارها، مطابقت دارد. استفاده از آلايش و عامل دار كردن ساختار خالص به صورت همزمان با اتم هاي سلنيوم و گروه هاي عاملي نيتروژن دار، طيف نشري سامانه را به سمت طول موج هاي مادون قرمز نزديك تا 760 نانومتر، جابجا مي كند و ساختار را قادر مي سازد تا در طول موج هاي متناسب با كاربردهاي مخابراتي نيز عمل نمايد. در بخش سنتز تجربي نيز هر سه ساختار معرفي شده در بخش شبيه سازي با روش هاي شيميايي سنتز شده و تاثير تغيير پارامترهاي ورودي در نتايج طيف نشري ساختار آلايش شده نيز بررسي مي شود. سنتز هر سه ساختار سنتز شده مورد صحت سنجي قرار گرفته و نتايج طيف نشري آن ها گسيل هايي با طول موج هاي به ترتيب 496 نانومتري، 515 – 547 نانومتري و 761 – 787 نانومتري را براي اين سه ساختار نشان مي دهد كه تطابق بالاي نتايج به دست آمده را با نتايج بخش شبيه سازي نشان مي دهند. همچنين با انجام آزمايشات تك فوتوني، خلوص تك فوتوني بسيار بالا با مقدار تابع همبستگي مرتبه ي دوم كمتر از 0.05 براي نقاط كوانتومي سنتز شده به دست مي آيد و بازدهي تك فوتوني 42% ، ساختار آلايش شده و عامل دار شده را به عنوان بستري بسيار مناسب براي كاربردهاي مخابرات و پردازش اطلاعات كوانتومي معرفي مي كند.

1400/08/07

Design, Simulation and Fabrication of Quantum Dot Single Photon Emitter for Quantum Information Processing

10/19/2022 12:00:00 AM

One of the fascinating and challenging research fields is to pay attention to technology development of quantum photonic. In this regard, fabrication and development of single photon emitters is of the most important proceedings, which are required to reach telecommunications, calculations, and quantum information processing. One of the most principle challenges is attributable to design, simulation, and implementation of one ideal certain single-photon source, which enables to produce quantum distribution single-photons proportional to free-space communication windows (~800 nm) and/or transmission ones in optical fiber (1330-1550 nm). Hence, different methods for producing single-photon sources have been introduced in recent years among which using graphene quantum dots is one of the newest ones. The aforementioned method will overcome both challenges of low-temperature performance and need to modern and expensive facilities in order to reach combined semiconductor quantum dots-based devices. Since graphene quantum dots are not capable of emitting light in near infrared ranges and so they cannot be used in free-space quantum communication applications, it was endeavored to investigate the simultaneous effect of doping of graphene quantum dots through selenium atoms and functionalizing the structure with nitrogenous functional groups for scrutinizing variations in the structure's emission spectrum. In this regard, according to the results obtained from atomic analysis, three structures based on pure graphene quantum dots, selenium-doped graphene quantum dots, and selenium-doped graphene quantum dots functionalized by amide groups were synthesized using chemical methods, and the effect of change of input parameters on the results of emission spectrum belonging to the structure arrayed was also investigated. The synthesis of all three structures was validated; their emission spectrum results showed emissions with the wavelength of 496 nm, 515-547 nm, and 761-787 nm, respectively. There is a good accordance between the results obtained in this research and the results of simulation and synthesis reported by other researchers. Moreover, single-photon experiments indicated very high single-photon purity having a value of second order correlation function lower than 0.5 for quantum dots synthesized; they also showed a 42% single-photon efficiency for the doped and functionalized structure, which is a very suitable platform for quantum communication and quantum information processing applications.

نقاط كوانتومي گرافني , گسيلنده هاي تك فوتوني , پردازش اطلاعات كوانتومي , توزيع آماري همبستگي فوتوني

Graphene Quantum Dots , Single Photon Emitter , Quantum Information Processing , Statistical Photon Correlation Distribution