Styrer fuldt integrerede nanodiamanter

Ved hjælp af moderne nanoteknologi, det er i dag muligt at fremstille strukturer, som har en egenskabsstørrelse på blot nogle få nanometer. Denne verden af ​​de mindste partikler – også kendt som kvantesystemer – muliggør en bred vifte af teknologiske anvendelser, i felter, der omfatter magnetfeltføling, informationsbehandling, sikker kommunikation eller ultra-præcis tidsregistrering. Produktionen af ​​disse mikroskopisk små strukturer er gået så langt, at de når dimensioner under lysets bølgelængde. På denne måde det er muligt at nedbryde hidtil eksisterende grænser i optikken og udnytte lysets kvanteegenskaber. Med andre ord, nanofotonik repræsenterer en ny tilgang til kvanteteknologier.

Når individuelle fotoner bevæger sig i kvanteregimet, forskere beskriver de relevante lyskilder som kvanteemittere, der kan indlejres i nanodiamanter, blandt andre. Disse specielle diamanter er kendetegnet ved deres meget lille partikelstørrelse, som kan variere fra blot nogle få til flere hundrede nanometer. Forskere ved universitetet i Münster er nu for første gang lykkedes med fuldt ud at integrere nanodiamanter i nanofotoniske kredsløb og samtidig adressere flere af disse nanodiamanter optisk. I processen, grønt laserlys rettes mod farvecentre i nanodiamanterne, og de individuelle røde fotoner, der genereres der, udsendes til et netværk af optiske komponenter i nanoskala. Som resultat, forskerne kan nu kontrollere disse kvantesystemer i en fuldt integreret tilstand. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Baggrund og metodik

Tidligere, det var nødvendigt at opsætte omfangsrige mikroskoper for at kontrollere sådanne kvantesystemer. Med fremstillingsteknologier svarende til dem til fremstilling af chips til computerprocessorer, lys kan rettes på en sammenlignelig måde ved hjælp af bølgeledere (nanofibre) på en siliciumchip. Disse optiske bølgeledere, måler mindre end en mikrometer, blev produceret med elektronstrålelitografi og udstyr til reaktiv ionætsning på Münster Nanofabrication Facility (MNF).

"Her, størrelsen af ​​en typisk forsøgsopstilling blev krympet til et par hundrede kvadratmikrometer, " forklarer adjunkt Carsten Schuck fra Institut for Fysik ved Universitetet i Münster, der ledede undersøgelsen i samarbejde med adjunkt Doris Reiter fra Institute of Solid State Theory. "Denne nedskæring betyder ikke kun, at vi kan spare plads med henblik på fremtidige applikationer, der involverer kvantesystemer i stort antal, " tilføjer han, "men det giver os også mulighed for, for første gang, at kontrollere flere sådanne kvantesystemer samtidigt."

I forarbejde forud for den aktuelle undersøgelse, Münster-forskerne udviklede passende grænseflader mellem nanodiamanter og nanofotoniske kredsløb. Disse grænseflader blev brugt i de nye eksperimenter, implementering af koblingen af ​​kvanteemittere med bølgeledere på en særlig effektiv måde. I deres eksperimenter, fysikerne brugte den såkaldte Purcell-effekt, som får nanodiamanten til at udsende de individuelle fotoner med større sandsynlighed ind i bølgelederen, i stedet for i en tilfældig retning.

Forskerne lykkedes også med at køre to magnetfeltsensorer, baseret på de integrerede nanodiamanter, parallelt på én chip. Tidligere, dette havde kun været muligt individuelt eller successivt. For at gøre dette muligt, forskerne udsatte de integrerede nanodiamanter for mikrobølger, hvilket inducerer ændringer i farvecentrenes kvante (spin) tilstand. Orienteringen af ​​spindet påvirker lysstyrken af ​​nanodiamanterne, som efterfølgende blev udlæst ved hjælp af on-chip optisk adgang. Mikrobølgefeltets frekvens og dermed de observerbare lysstyrkevariationer afhænger af magnetfeltet ved nanodiamantens placering. "Den høje følsomhed over for et lokalt magnetfelt gør det muligt at konstruere sensorer, med hvilke individuelle bakterier og endda individuelle atomer kan detekteres, " forklarer Philip Schrinner, hovedforfatter af undersøgelsen.

Først og fremmest, forskerne beregnede de nanofotoniske grænsefladedesigns ved hjælp af omfattende 3D-simuleringer, dermed bestemme optimale geometrier. De samlede og fremstillede derefter disse komponenter til et nanofotonisk kredsløb. Efter at nanodiamanterne blev integreret og karakteriseret ved hjælp af tilpasset teknologi, holdet af fysikere udførte de kvantemekaniske målinger ved hjælp af et til formålet skræddersyet opsætning.

"At arbejde med diamantbaserede kvantesystemer i nanofotoniske kredsløb tillader en ny form for tilgængelighed, da vi ikke længere er begrænset af mikroskopopsætninger, " siger Doris Reiter. "Ved brug af den metode, vi har præsenteret, det vil i fremtiden være muligt samtidigt at overvåge og udlæse et stort antal af disse kvantesystemer på én chip, " tilføjer hun. Forskernes arbejde skaber forudsætninger for, at der kan udføres yderligere undersøgelser inden for kvanteoptik - undersøgelser, hvor nanofotonik kan bruges til at ændre diamantudsendernes fotofysiske egenskaber. er nye anvendelsesmuligheder inden for kvanteteknologier, som vil drage fordel af egenskaberne ved integrerede nanodiamanter - inden for kvanteregistrering eller kvanteinformationsbehandling, for eksempel.

De næste trin vil omfatte implementering af kvantesensorer inden for magnetometri, som bruges for eksempel i materialeanalyse til halvlederkomponenter eller hjernescanninger. "Til denne ende", siger Carsten Schuck, "Vi ønsker at integrere et stort antal sensorer på en chip, som så alle kan udlæses samtidigt, og dermed ikke kun registrere magnetfeltet ét sted, men visualiser også magnetiske feltgradienter i rummet."