En metode til nøjagtigt at centrere kvanteprikker i fotoniske chips
Enheder, der fanger det strålende lys fra millioner af kvanteprikker, inklusive lasere i chipskala og optiske forstærkere, har gjort overgangen fra laboratorieforsøg til kommercielle produkter. Men nyere typer kvanteprikker har været langsommere til at komme på markedet, fordi de kræver ekstraordinært nøjagtig justering mellem individuelle prikker og miniatureoptikken, der udvinder og styrer den udsendte stråling.
Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har nu udviklet standarder og kalibreringer til optiske mikroskoper, der gør det muligt at justere kvanteprikker med midten af en fotonisk komponent inden for en fejl på 10 til 20 nanometer (ca. -tusindedel af tykkelsen af et ark papir).
En sådan justering er kritisk for chip-skalaenheder, der anvender strålingen udsendt af kvanteprikker til at lagre og transmittere kvanteinformation. Undersøgelsen er publiceret i Optica Quantum .
For første gang opnåede NIST-forskerne dette niveau af nøjagtighed på tværs af hele billedet fra et optisk mikroskop, hvilket gjorde det muligt for dem at korrigere positionerne af mange individuelle kvanteprikker. En model udviklet af forskerne forudsiger, at hvis mikroskoper kalibreres ved hjælp af de nye standarder, så kan antallet af højtydende enheder stige med så meget som hundrede gange.
Den nye evne kunne gøre det muligt for kvanteinformationsteknologier, der langsomt dukker op fra forskningslaboratorier, at blive mere pålideligt studeret og effektivt udviklet til kommercielle produkter.
I udviklingen af deres metode skabte Craig Copeland, Samuel Stavis og deres samarbejdspartnere, herunder kolleger fra Joint Quantum Institute (JQI), et forskningspartnerskab mellem NIST og University of Maryland, standarder og kalibreringer, der kunne spores til International System of Units (SI) til optiske mikroskoper, der bruges til at styre justeringen af kvanteprikker.
"Den tilsyneladende enkle idé med at finde en kvanteprik og placere en fotonisk komponent på den viser sig at være et vanskeligt måleproblem," sagde Copeland.
I en typisk måling begynder fejl at akkumulere, da forskere bruger et optisk mikroskop til at finde placeringen af individuelle kvanteprikker, som befinder sig på tilfældige steder på overfladen af et halvledermateriale. Hvis forskere ignorerer krympningen af halvledermaterialer ved de ultrakolde temperaturer, hvor kvanteprikker opererer, vokser fejlene sig større.
Yderligere komplicerer sagerne, disse målefejl er forstærket af unøjagtigheder i fremstillingsprocessen, som forskere bruger til at lave deres kalibreringsstandarder, hvilket også påvirker placeringen af de fotoniske komponenter.
NIST-metoden, som forskerne beskrev i en artikel lagt online i Optica Quantum den 18. marts, identificerer og retter sådanne fejl, som tidligere blev overset.
NIST-teamet skabte to typer sporbare standarder til at kalibrere optiske mikroskoper - først ved stuetemperatur for at analysere fremstillingsprocessen og derefter ved kryogene temperaturer for at måle placeringen af kvanteprikker. Med udgangspunkt i deres tidligere arbejde bestod rumtemperaturstandarden af en række huller i nanoskala med en bestemt afstand fra hinanden i en metalfilm.
Forskerne målte derefter de faktiske positioner af hullerne med et atomkraftmikroskop og sikrede, at positionerne kunne spores til SI. Ved at sammenligne de tilsyneladende positioner af hullerne set af det optiske mikroskop med de faktiske positioner vurderede forskerne fejl fra forstørrelseskalibrering og billedforvrængning af det optiske mikroskop. Det kalibrerede optiske mikroskop kan derefter bruges til hurtigt at måle andre standarder, som forskerne har fremstillet, hvilket muliggør en statistisk analyse af processens nøjagtighed og variabilitet.
"God statistik er afgørende for hvert led i en sporbarhedskæde," sagde NIST-forsker Adam Pintar, medforfatter til artiklen.
Ved at udvide deres metode til lave temperaturer kalibrerede forskerholdet et ultrakoldt optisk mikroskop til billeddannelse af kvanteprikker. For at udføre denne kalibrering skabte holdet en ny mikroskopistandard - en række søjler fremstillet på en siliciumwafer. Forskerne arbejdede med silicium, fordi materialets krympning ved lave temperaturer er blevet målt nøjagtigt.
Forskerne opdagede flere faldgruber ved at kalibrere forstørrelsen af kryogene optiske mikroskoper, som har en tendens til at have værre billedforvrængning end mikroskoper, der opererer ved stuetemperatur. Disse optiske ufuldkommenheder bøjer billederne af lige linjer til knudrede kurver, som kalibreringen effektivt retter ud. Hvis den ikke korrigeres, forårsager billedforvrængningen store fejl ved bestemmelse af kvanteprikkernes position og justering af prikkerne inden for mål, bølgeledere eller andre lyskontrollerende enheder.
"Disse fejl har sandsynligvis forhindret forskere i at fremstille enheder, der fungerer som forudsagt," sagde NIST-forsker Marcelo Davanco, en medforfatter af artiklen.
Forskerne udviklede en detaljeret model af måle- og fabrikationsfejl ved integration af kvanteprikker med fotoniske komponenter i chipskala. De undersøgte, hvordan disse fejl begrænser kvanteprik-enheders evne til at fungere som designet, og fandt potentialet for en hundrede gange forbedring.
"En forsker kan være glad, hvis en ud af hundrede enheder fungerer til deres første eksperiment, men en producent kan have brug for nioghalvfems ud af hundrede enheder for at fungere," bemærkede Stavis. "Vores arbejde er et spring foran i denne overgang fra laboratorium til fabrik."
Ud over kvanteprik-enheder kan sporbare standarder og kalibreringer under udvikling hos NIST forbedre nøjagtigheden og pålideligheden i andre krævende anvendelser af optisk mikroskopi, såsom billeddannelse af hjerneceller og kortlægning af neurale forbindelser.
Til disse bestræbelser søger forskere også at bestemme nøjagtige positioner af de genstande, der undersøges, på tværs af et helt mikroskopbillede. Derudover kan det være nødvendigt for forskere at koordinere positionsdata fra forskellige instrumenter ved forskellige temperaturer, som det er tilfældet for kvanteprik-enheder.
Flere oplysninger: Craig R. Copeland et al., Sporbar lokalisering muliggør nøjagtig integration af kvanteemittere og fotoniske strukturer med højt udbytte, Optica Quantum (2024). DOI:10.1364/OPTICAQ.502464
Leveret af National Institute of Standards and Technology
Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.
Varme artikler
-
Medicinsk kamera ser igennem kroppenBilleder fra et nyt kamera, der kan registrere bittesmå spor af lys gennem kroppens væv. Her, kameraet registrerer lys fra et medicinsk udstyr, der kaldes et optisk endomikroskop, mens det bruges i få -
Chokolade pakket ud - hvad er der inde i din påskehygge?Hvad sker der, når du røntgenbilleder en chokoladekanin? Hvor kompleks er oblat- og chokoladekompositten i en Kit Kat? Og hvorfor ligner indersiden af en Ferrero Rocher månesten? Dette er blot nogl -
Forskere udvikler måde at identificere topologiske materialerKredit:CC0 Public Domain I årtierne siden de først blev teoretiseret, forskere har antydet, at topologiske materialers eksotiske egenskaber - det vil sige materialer, der bevarer deres elektriske -
Forståelse af ionisering af protonpåvirket heliumKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Avanceret matematisk analyse af ioniseringen af et heliumatom af en påvirkende proton har afsløret, hvor der opstår uoverensstemmelser mellem eksperimenter og ek