行业背景
在量子计算和通信领域，存在着基于光子的和基于固态的平台。尽管基于光子的平台能够以最小的损耗和相干衰减实现长距离通信，但光子之间的相互作用非常弱，使得实现非线性光子量子门困难。相比之下，固态系统虽然提供了强相互作用环境，但相干衰减和损耗问题仍然存在。因此，超导体-半导体混合器件被提出，将光子和固态的优势结合起来，光子部分提供长距离通信能力，而固态部分提供量子计算所需的相互作用, 具有强的可扩展性和稳健性。超导发光二极管（SLED）是这种混合系统的一个例子，其原理是利用超导凝聚物与半导体PN结的耦合，通过电致发光实现光子发射。这种器件具有紧凑、高效、电驱动等优点，因此在量子信息处理中具有广泛的应用前景。理论上已经证明SLED可以通过利用库珀对的辐射复合来发射极化纠缠的光子对。然而，在实验上尚未展示出发射的双光子性质。近日，以色列理工学院Alex Hayat等人提出了一种基于GaAs超晶格的PN结SLED设计，通过超晶格中的共振能带来最大化库珀对注入到PN结中。通过电致发光测量，实验证明了Tc以下的增强发射，显示了发射半导体层中存在超导序参数，并且展示了双光子发射的光谱行为。该成果发表在《Light：Science & Applications》，题为“Two-photon emission from a superlattice-based superconducting light-emitting structure”。
研究亮点
1、超晶格结构设计优化库珀对注入
研究者设计了一种GaAs/AlGaAs超晶格PN SLED，通过共振能带最大化了库珀对注入到PN结的效率。这种设计利用了超晶格形成的共振能量小带，增加了费米能级对齐的宽度，从而提高了库珀对的注入概率。这是实现高效双光子发射的关键技术创新。图1展示了超晶格SLED的示意图，并说明了库伯对如何通过超晶格结构被注入到PN结中以及这一过程是如何通过共振能带实现优化的。
图1、超晶格SLED的势垒和电学特性：（a）超晶格SLED的示意图；库伯对被注入到n型侧，与从p型侧注入的空穴在PN结和紧邻超导接触的n型层中复合。由于超晶格引起的小带的存在增加了库伯对注入效率。
（b）微分电导测量σ标准化为在Tc以上的测量σN，展示了Andreev反射，并为最低温度计算了依赖性（黑色虚线曲线）。为了去除标准化曲线的重叠并更好地可视化特征，每个曲线相对于前一个曲线垂直移动了0.01，以提高特征的清晰度。插图显示了超导接触的2探针测量，展示了大约在6.5 K左右的超导转变。
2.双光子发射的实验验证
这是首次在实验上展示SLED的双光子发射特性。这项工作不仅验证了之前的理论预测，而且为量子信息处理（QIP）领域提供了一个潜在的新型量子光源。双光子发射的实验证据是通过电致发光光谱的展宽和发射光谱向更长波长的移动来展示的，这些都是双光子发射过程的直接标志。图2和图3展示了EL光谱特征（如最大高度、中心波长位置和宽度）随电流和温度变化的测量结果，揭示了双光子发射的特性。
图2、EL光谱特征参数与电流和温度的关系：上图（a, b, c）展示了长波长特征的（a）最大高度、（b）特征位置和（c）特征宽度作为温度和电流的函数。下图（d, e, f）展示了短波长特征的（d）最大高度、（e）特征位置和 （f）特征宽度作为温度和电流的函数。灰色区域表示无法提取数据的区域，即发射不存在（低电流和因为发射更接近电极）。
图3、归一化的EL光谱与电流和温度的关系：（a）-（c）展示了不同电流下温度对归一化光谱的影响。(d)-(f) 展示了不同温度下电流对归一化光谱的影响。对于这两种类型的光谱，在较长波长处(840-860 nm)观察到一个峰，而在较短波长处(820-840 nm)观察到一个凹陷。
3.超导体序参量Δ的依赖性与温度控制
研究表明，SLED的发射特性，包括EL光谱的峰值强度、中心波长位置和宽度，都显示出与超导体序参量Δ的平方成正比的关系。此外，通过精确控制温度和电流，研究者能够在Tc以下观察到超导体特性对发射光谱的显著影响，这表明了对超导体-半导体混合器件的发射特性具有精确的调控能力。图4展示了归一化EL光谱的峰值和最小值随温度和电流的变化，呈现出超导体圆顶（superconducting-dome）行为，这与超导体序参量Δ的依赖性直接相关。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
图4、归一化的EL光谱最大和最小值与电流和温度的关系：（a）归一化光谱峰值与温度和所施加电流的关系，呈现出类似超导体圆顶的特征。插图展示了超导体圆顶的临界电流-温度关系，其中透明红色带子代表了±σ的置信区间。（b）归一化光谱的凹陷值与温度和所施加电流的关系，也呈现出类似超导体圆顶的特征。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01472-8
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