Light Emitting Silicon Germanium

Projektbeschreibung

Neue Quantentechnologie mit lichtemittierenden Chips

Die Integration von photonischen und elektronischen Funktionen auf einem einzigen Chip könnte die Informations- und Quantentechnologie grundlegend verändern. Herkömmliche Siliziumchips emittieren jedoch kein Licht. Im Rahmen des ERC-finanzierten Projekts Bright Chips werden lichtemittierende Chips durch Veränderungen von Werkstoffen auf atomarer Ebene entwickelt. Im Mittelpunkt des Projekts steht hexagonales SiGe, das im Vergleich zu seiner herkömmlichen kubischen Form bessere optische Eigenschaften aufweist. Die Forschenden werden die Lichtemission sowohl im klassischen als auch im Quantenbereich erforschen, sodass bei Bedarf mehrere oder sogar einzelne Photonen erzeugt werden können. Zu den Zielen gehört die Entwicklung eines SiGe-basierten Lasers für die optische Kommunikation und einer Quantenlichtquelle, in der stabile Quantenzustände mit optischen Fähigkeiten verbunden sind. Darüber hinaus wird das Projektteam die Arbeit zu Spin-Quantenbits (Qubits) vorantreiben und den Weg für die nächste Generation von Quantentechnologien ebnen.

Ziel

Our vision is to revolutionize information and quantum technologies by blending photonic and electronic functionality onto a single chip. This long-standing challenge has remained unattainable because chips, fabricated by mainstream silicon technology, cannot emit light. Computer chips would be much faster and consume far less energy if they would operate with light. In addition, optical functionality will be transformative for quantum computation since silicon technologies are by far the most scalable allowing the connection of millions of quantum bits using light.
We envision to realize light-emitting chips by changing the most fundamental property of a given material – the way in which the atoms are arranged in space. Hereby, we explore a novel material, hexagonal SiGe, with an atomic arrangement that differs from the natural cubic material, rendering it optically active. We will understand light emission mechanisms in the classical and quantum regimes, when many, few and even single photons are generated on demand. Moreover, we will elucidate the optical and electrical properties of quantum structures, aiming for landmark experiments, each of which can open a new research field: i) a SiGe-based laser, which demonstrates the photonic potential of the material, and is a device directly relevant for optical communication on a chip, ii) a SiGe quantum light source, which uniquely combines the stability of the quantum state with optical functionality and iii) spin quantum bits that can be rapidly manipulated, upscaled and are long-lived due to the expected material properties.
In the ultimate experiments, we connect the advantageous opto-electronic properties of this new material system and investigate i) active photonic circuits in which light is switched by light, and ii) the transduction of a static electronic quantum state (spin) into a propagating photonic state to connect distant qubits.