Kuantum Bilişimi Teknolojileri Için Frekans Kilitli Tek Foton Üreteci

Abstract

Projemizde amaç kuantum teknolojilerine tümleştirmeye uygun nitelikte belli bir frekansa kilitli tek foton kaynağı üretilmesidir. Tek foton üretimi için yenilikçi iki boyutlu (2B) malzemelerden geçiş metal kalkojenitleri (GMK) olan WS2, MoS2, MoSe2, MoS2(1-x)Se2x ile oda sıcaklığında tek foton üretebilen kusurlarıyla bilinen hegzagonal Boronnitrit (hBN) temelli kendi tasarladığımız bir mikroelektromekanik sistemden (MEMS?ten) yararlanmayı amaçlıyoruz. 2B malzemelerin MEMS rezonatöre transfer edilmesiyle bu malzemelerdeki kusur merkezleri tek foton kaynağı olarak çalışması ve bu kusurların kontrollü olarak zamanda frekans kilitli olarak oluşturulması amaçlanmıştır. Bazı kristal yapılarda ortaya çıkan özel kusur merkezlerinin oda sıcaklığında tek foton ışıması yaptıklarının gözlemlenmesi büyük öneme sahip bir bulgu olmuştur. Kusur taşıyıcısı malzemelerden elmas NV merkezleri gibi 3 boyutlu (3B) kristal örgüde oluşanlar bulunduğu gibi WSe2 ve WS2 gibi iki boyutlu kristallerde ortaya çıkanlar da bulunabilmektedir. Yakın zamanda bu malzemelerde yapılan bir çalışmada isteğe bağlı olarak belli konumlarda kusur merkezlerinin 2B malzeme üzerinde oluşturulabileceği gösterilmiştir. WS2/WSe2 gibi MoS2/MoSe2/MoS2(1-x)Se2x malzemeler de 2B yarıiletken malzemeler olup bu 2B kristallerde oluşan kusur merkezlerinin tek foton kaynağı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Literatürde 2B malzemenin periyodik sivri uçlarla dekore edilmiş bir yüzeye aktarılarak bükümlendirildiğinde bükümlerde oluşan kusurlar sayesinde istenilen periyodik konumlarda malzemenin ışınım yaptığı gösterilmiştir. Literatürdeki bulgularda bu bükümlerde oluşan kusurların tek foton kaynağı olarak davrandığı gösterilmiştir. Üretmeyi amaçladığımız bu yapılar frekans kilitli tek foton kaynağı olarak çalıştıklarında anti-öbekleşmiş iki foton bağdaşım(correlation) istatistiği gösterirler. Tek foton kaynaklarının klasik olarak frekans kilitli olarak üretimlerinde şimdiye kadar manyetik veya elektriksel alan ile elektrik akımı kullanılmıştır. Ancak bu fiziksel etkileşimler tek fotonların oluşma mekanizmasına doğrudan etki yaparak çapraz karışmaya (cross-talk) neden olabilmekte, dolayısıyla kübitler arasında ön görülmeyen parazitik kuantum dolaşıklıklarına yol açabilmektedirler. Dahası çoğu sistem düşük sıcaklık ve yüksek vakum şartlarında çalışmaktadır. Oda sıcaklığında çalışabilen ve bu parazitik dolaşıklıklara olanak sağlamayan mekanik olarak frekans kilitlenmiş bir sistem geliştirilmesi dünyada ve ülkemizde son derece özgün bir çalışmadır. Projemizde ODTÜ-GÜNAM 2B malzemelerde belli bir frekansta bükümlenmeyi sağlamak üzere tasarım ve iki ayrı üretim tekniği kullanarak MEMS yapılar üretmiştir. Ekip ilk yöntemde daha önceki çalışmalarında geliştirmiş olduğu lazerle doğrudan Silisyum pul içine dikey rezonatör yapıları yazmıştır. İkinci yöntemde ise elektron demet litografisi yöntemi ile reaktif iyon aşındırma kullanarak yatay rezonatörler üretmiştir. Ayrıca 2B yapıların elektronik bant yapılarını ve kusurların büküme bağıntıları sayısal yöntemlerle irdelenmiştir. ESTÜ WS2, MoS2, MoSe2 ve MoS2(1-x)Se2x olarak belirlenmiş 2B malzemeleri CVD yöntemi ile tek katmanlı olarak, geniş alanlı, homojen, kontrollü ve aygıt uygulamalarında kullanılacak şekilde üretip MEMS yapıların üzerine transfer etmiştir. İYTE MEMS rezonatör üzerine trasfer edilmiş 2B yapıların temel optik özelliklerinin incelenmesini konfokal geometriye sahip mikro-fotoluminesans düzeneği ile gerçekleştirmiştir. Böylelikle tek fotonların zamanda rastlantısal bir dağınıklıkla üretilmesinin önüne geçilerek istenilen saat döngüsünde (clock cycle) üretilmeleri amaçlanmıştır.