Fysikere forbinder nøglekomponenter i kvanteteknologier

Kvanteffekter findes virkelig i nanostrukturernes verden og tillader en lang række nye teknologiske applikationer. For eksempel, en kvantecomputer kunne i fremtiden løse problemer, som konventionelle computere har brug for meget tid til at håndtere. Over hele verden, forskere er engageret i intensivt arbejde med de enkelte komponenter i kvanteteknologier - disse omfatter kredsløb, der behandler information ved hjælp af enkeltfotoner i stedet for elektricitet, samt lyskilder, der producerer sådanne individuelle kvantiteter af lys. En særlig udfordring er at koble disse to komponenter til at producere integrerede kvanteoptiske kredsløb på chips.

Forskere ved universitetet i Münster (Tyskland) har nu udviklet en grænseflade, der kobler lyskilder til enkeltfotoner med nanofotoniske netværk. Denne grænseflade består af såkaldte fotoniske krystaller, dvs. nanostrukturerede dielektriske materialer, der kan forbedre et bestemt bølgelængdeområde, når lys passerer igennem. Sådanne fotoniske krystaller bruges på mange forskningsområder, men de var ikke tidligere blevet optimeret til denne type interface. Forskerne var særlig omhyggelige med at opnå denne bedrift på en måde, der giver mulighed for direkte at replikere de fotoniske krystaller ved hjælp af etablerede nanofabrikationsprocesser.

"Vores arbejde viser, at det ikke kun er i højt specialiserede laboratorier og unikke eksperimenter, at komplekse kvante -teknologier kan produceres, "siger fysiker Dr. Carsten Schuck, en adjunkt ved Münster University, der ledede undersøgelsen sammen med Dr. Doris Reiter, ligeledes en adjunkt, der arbejder inden for solid state -teorien. Resultaterne kunne bidrage til at gøre kvanteteknologier skalerbare. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede Quantum Technologies .

Baggrund og metode:

Da enkelte fotoner overholder kvantfysikkens love, forskere taler om kvanteemittere med hensyn til de involverede lyskilder. Til deres undersøgelse, forskerne overvejede kvantemittere, der er indlejret i nanodiamanter og udsender fotoner, når de stimuleres ved hjælp af elektromagnetiske felter. For at producere de ønskede grænseflader, forskernes mål var at udvikle optiske strukturer, der er skræddersyet til bølgelængden af ​​kvanteemitterne.

Hulrum eller huller i fotoniske krystaller er velegnede til at fange lys i små mængder og få det til at interagere med stof som f.eks. I dette tilfælde, nanodiamanter. Jan Olthaus, en ph.d. studerende i fysik i Doris Reiters junior forskergruppe, udviklet teoretiske koncepter og specielle computerassisterede simuleringsteknikker for at beregne designene til disse fotoniske krystaller.

De teoretisk udviklede designs blev fremstillet af fysikere i juniorforskningsgruppen under ledelse af Carsten Schuck ved Center for NanoTechnology og Center for Soft Nanoscience ved Münster University. Ph.d. elev Philipp Schrinner fremstillede krystallerne fra en tynd film af siliciumnitrid. Til dette formål, han brugte moderne elektronstråle litografi og særlige ætsningsmetoder på udstyret på Münster Nanofabrication Facility og det lykkedes at producere krystaller af høj kvalitet direkte på basismaterialet af siliciumdioxid.

Ved strukturering af krystallerne, forskerne varierede ikke kun størrelsen og placeringen af ​​hulrummene, men også bredden af ​​den bølgeleder, som hulrummene var placeret på. De målte resultater viste, at fotoniske krystaller, der viste en særlig variation i hulstørrelser, var bedst egnet til grænsefladerne.

"Vores samarbejde - mellem teoretiske og eksperimentelle fysikere - er ideelt for fysikforskning, "siger Doris Reiter." Denne type samarbejde er ikke altid let, da vores respektive arbejdsmetoder ofte er meget forskellige - derfor er vi endnu mere glade for, at det blev så godt for vores to yngre forskningsgrupper. "" Hvad er særligt ved vores arbejde, "tilføjer Carsten Schuck, "er, at vores designs ikke kræver yderligere behandlingstrin, fordi de er kompatible med etableret tyndfilmsteknologi til integrerede fotoniske kredsløb. "Dette kan ikke tages for givet i udviklingen af ​​komplekse kvante-teknologier, fordi selvom det ofte lykkes forskerne at producere en vigtig, komponent af høj kvalitet som engang de er ikke i stand til at producere flere kopier af den samme komponent igen.

De næste trin for forskerne involverer forsøg på at placere kvanteemitterne, indlejret i nanodiamanterne, på visse steder på de fotoniske krystaller - med det formål at omsætte undersøgelsens resultater i praksis. Til denne ende, teamet ledet af Carsten Schuck er allerede ved at udvikle en særlig nanofabrikationsteknik, som er i stand til, for eksempel, at placere en diamant på kun 100 nanometer i størrelse med en nøjagtighed på mindre end 50 nanometer. Teamet af teoretiske fysikere under ledelse af Doris Reiter ønsker at udvide undersøgelserne til at omfatte andre materialesystemer og mere komplekse geometrier af fotoniske krystaller og, for eksempel, brug elliptiske huller i stedet for runde.