Vanderbilt-ingeniør den første til at introducere laveffekt dynamisk manipulation af enkelt nanoskala kvanteobjekter

Anført af Justus Ndukaife, adjunkt i elektroteknik, Vanderbilt-forskere er de første til at introducere en tilgang til indfangning og flytning af et nanomateriale kendt som en enkelt kolloid nanodiamant med nitrogen-tomgangscenter ved hjælp af laveffekt laserstråle. Bredden af ​​et enkelt menneskehår er cirka 90, 000 nanometer; nanodiamanter er mindre end 100 nanometer. Disse kulstofbaserede materialer er et af de få, der kan frigive den grundlæggende enhed af alt lys - en enkelt foton - en byggesten til fremtidige kvantefotonikapplikationer, Ndukaife forklarer.

I øjeblikket er det muligt at fange nanodiamanter ved hjælp af lysfelter, der er fokuseret i nærheden af ​​metalliske overflader i nanostørrelse, men det er ikke muligt at flytte dem på den måde, fordi laserstrålepletter simpelthen er for store. Ved hjælp af et atomkraftmikroskop, det tager videnskabsmænd timer at skubbe nanodiamanter på plads én ad gangen nær et emissionsfremmende miljø for at danne en nyttig struktur. Yderligere, for at skabe sammenfiltrede kilder og qubits - nøgleelementer, der forbedrer kvantecomputeres behandlingshastigheder - er der brug for flere nanodiamant-emittere tæt sammen, så de kan interagere for at lave qubits, sagde Ndukaife.

"Vi satte os for at gøre indfangning og manipulation af nanodiamanter lettere ved at bruge en tværfaglig tilgang, " sagde Ndukaife. "Vores pincet, en lavfrekvent elektrotermoplasmonisk pincet (LFET), kombinerer en brøkdel af en laserstråle med et lavfrekvent elektrisk vekselstrømfelt. Dette er en helt ny mekanisme til at fange og flytte nanodiamanter." En kedelig, timelang proces er blevet skåret ned til sekunder, og LFET er den første skalerbare transport- og on-demand montageteknologi af sin art.

Ndukaifes arbejde er en nøgleingrediens for kvanteberegning, en teknologi, der snart vil muliggøre et stort antal applikationer fra højopløsningsbilleddannelse til skabelsen af ​​uhackbare systemer og stadigt mindre enheder og computerchips. I 2019, Department of Energy investerede 60,7 millioner dollars i finansiering for at fremme udviklingen af ​​kvantecomputere og netværk.

"At kontrollere nanodiamanter for at lave effektive enkeltfotonkilder, der kan bruges til denne slags teknologier, vil forme fremtiden, " sagde Ndukaife. "For at forbedre kvanteegenskaber, det er vigtigt at koble kvanteemittere såsom nanodiamanter med nitrogen-fritidscentre til nanofotoniske strukturer."

Ndukaife har til hensigt at udforske nanodiamanter yderligere, arrangere dem på nanofotoniske strukturer designet til at forbedre deres emissionsydelse. Med dem på plads, hans laboratorium vil undersøge mulighederne for ultralyse enkeltfotonkilder og sammenfiltring i en on-chip platform til informationsbehandling og billeddannelse.

"Der er så mange ting, vi kan bruge denne forskning til at bygge videre på, " sagde Ndukaife. "Dette er den første teknik, der giver os mulighed for dynamisk at manipulere enkelte nanoskalaobjekter i to dimensioner ved hjælp af en laserstråle med lav effekt."

Artiklen, "Electrothermoplasmonic Trapping and Dynamic Manipulation of Single Colloidal Nanodiamond" blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver juni og var medforfatter af kandidatstuderende i Ndukaifes laboratorium, Chuchuan Hong og Sen Yang, samt deres samarbejdspartner, Ivan Kravchenko ved Oak Ridge National Laboratory.