Kwantumeffecten zijn echt te vinden in de wereld van nanostructuren en maken een breed scala aan nieuwe technologische toepassingen mogelijk. Bijvoorbeeld, een kwantumcomputer zou in de toekomst problemen kunnen oplossen, waar conventionele computers veel tijd voor nodig hebben. Over de hele wereld, onderzoekers zijn intensief bezig met de afzonderlijke componenten van kwantumtechnologieën - deze omvatten circuits die informatie verwerken met behulp van enkele fotonen in plaats van elektriciteit, evenals lichtbronnen die dergelijke individuele lichtquanta produceren. Het koppelen van deze twee componenten om geïntegreerde kwantumoptische circuits op chips te produceren, vormt een bijzondere uitdaging.

Onderzoekers van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben nu een interface ontwikkeld die lichtbronnen voor enkelvoudige fotonen koppelt aan nanofotonische netwerken. Deze interface bestaat uit zogenaamde fotonische kristallen, d.w.z. nanogestructureerde diëlektrische materialen die een bepaald golflengtebereik kunnen verbeteren wanneer licht erdoorheen gaat. Dergelijke fotonische kristallen worden in veel onderzoeksgebieden gebruikt, maar ze waren niet eerder geoptimaliseerd voor dit type interface. De onderzoekers hebben er met name op gelet om deze prestatie te bereiken op een manier die het mogelijk maakt om de fotonische kristallen eenvoudig te repliceren met behulp van gevestigde nanofabricageprocessen.

"Ons werk laat zien dat niet alleen in zeer gespecialiseerde laboratoria en unieke experimenten complexe kwantumtechnologieën kunnen worden geproduceerd, " zegt natuurkundige Dr. Carsten Schuck, een assistent-professor aan de Universiteit van Münster die samen met Dr. Doris Reiter de studie leidde, eveneens een assistent-professor, die werkt op het gebied van de vastestoftheorie. De resultaten kunnen helpen om kwantumtechnologieën schaalbaar te maken. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde kwantumtechnologieën .

Achtergrond en werkwijze:

Aangezien enkele fotonen de wetten van de kwantumfysica gehoorzamen, onderzoekers spreken van kwantumstralers met betrekking tot de betrokken lichtbronnen. Voor hun studie de onderzoekers dachten aan kwantumstralers die zijn ingebed in nanodiamanten en fotonen uitzenden wanneer ze worden gestimuleerd door middel van elektromagnetische velden. Om de gewenste interfaces te produceren, het doel van de onderzoekers was om optische structuren te ontwikkelen die zijn afgestemd op de golflengte van de kwantumstralers.

Holten of gaten in fotonische kristallen zijn zeer geschikt om licht in minieme volumes op te vangen en te laten interageren met materie zoals, in dit geval, nanodiamanten. Jan Olthaus, een doctoraat student natuurkunde in de junior onderzoeksgroep van Doris Reiter, ontwikkelde theoretische concepten en speciale computerondersteunde simulatietechnieken om de ontwerpen voor deze fotonische kristallen te berekenen.

De theoretisch ontwikkelde ontwerpen zijn gemaakt door natuurkundigen in de junior onderzoeksgroep onder leiding van Carsten Schuck van het Center for NanoTechnology en het Center for Soft Nanoscience van de Universiteit van Münster. doctoraat student Philipp Schrinner maakte de kristallen uit een dunne laag siliciumnitride. Voor dit doeleinde, hij gebruikte moderne elektronenstraallithografie en speciale etsmethoden op de apparatuur van de Münster Nanofabrication Facility en slaagde erin hoogwaardige kristallen direct op het basismateriaal van siliciumdioxide te produceren.

Bij het structureren van de kristallen, de onderzoekers varieerden niet alleen de grootte en de opstelling van de holtes, maar ook de breedte van de golfgeleider waarop de holtes werden geplaatst. De gemeten resultaten toonden aan dat fotonische kristallen die een speciale variatie in gatgrootte vertoonden, het meest geschikt waren voor de interfaces.

"Onze samenwerking - tussen theoretische en experimentele natuurkundigen - is ideaal voor natuurkundig onderzoek, ", zegt Doris Reiter. "Dit soort samenwerking is niet altijd gemakkelijk, omdat onze respectievelijke werkwijzen vaak heel verschillend zijn - daarom zijn we des te blijer dat het zo goed is uitgepakt in het geval van onze twee junior onderzoeksgroepen." "Wat is er bijzonder aan ons werk, " voegt Carsten Schuck toe, "is dat onze ontwerpen geen extra bewerkingsstappen nodig hebben, omdat ze compatibel zijn met gevestigde dunnefilmtechnologie voor geïntegreerde fotonische circuits." Dit is niet vanzelfsprekend bij de ontwikkeling van complexe kwantumtechnologieën, want hoewel onderzoekers er vaak in slagen een belangrijke, hoogwaardig onderdeel als eenmalig, ze zijn niet in staat om meerdere kopieën van hetzelfde onderdeel opnieuw te maken.

De volgende stappen voor de onderzoekers zijn het proberen de kwantumstralers te positioneren, ingebed in de nanodiamanten, op bepaalde plekken op de fotonische kristallen - met als doel de resultaten van het onderzoek in de praktijk te brengen. Hiertoe, het team onder leiding van Carsten Schuck ontwikkelt al een speciale nanofabricagetechniek die in staat is, bijvoorbeeld, om een ​​diamant van slechts 100 nanometer groot te plaatsen met een nauwkeurigheid van minder dan 50 nanometer. Het team van theoretische fysici onder leiding van Doris Reiter wil de studies uitbreiden naar andere materiaalsystemen en complexere geometrieën van fotonische kristallen en, bijvoorbeeld, gebruik elliptische gaten in plaats van ronde.