Wetenschap
Onderzoek toont snelle foto-ionisatiedetectie aan van afzonderlijke erbiumionen in silicium
Efficiënte detectie van afzonderlijke optische centra is cruciaal voor toepassingen in kwantumcomputers, detectie en het genereren van afzonderlijke fotonen. Stikstof-vacancy (NV)-centra in diamant hebben bijvoorbeeld doorbraken bereikt in uiterst nauwkeurige magnetische veldmetingen. De detectie van NV-centra is afhankelijk van het observeren van hun spin-gecorreleerde fluorescentie.
Op dezelfde manier hebben optische centra in siliciumcarbide en zeldzame aardionen in vaste stoffen ook vergelijkbare detectiemechanismen. Het uitlezen van deze systemen vereist echter het verzamelen van een voldoende aantal fotonen als detectiesignalen, wat de betrouwbaarheid van het uitlezen van de spintoestand beperkt. De elektrische uitleesmethoden die gewoonlijk in kwantumelektronische apparaten worden gebruikt, zorgen daarentegen voor een hogere uitleesnauwkeurigheid binnen kortere tijdsintervallen.
Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Chunming Yin van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China heeft onlangs vooruitgang geboekt op het gebied van op silicium gebaseerde kwantumtechnologie door snelle foto-ionisatiedetectie van enkele Er 3+ aan te tonen ionen in een silicium nanotransistor. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift National Science Review en de eerste auteur van dit artikel is Dr. Yangbo Zhang.
Prof. Chunming Yin en zijn medewerkers bereikten voor het eerst de foto-ionisatiedetectie van een enkele Er 3+ ionen in op silicium gebaseerde transistors met één elektron in 2013. De uitleessnelheid van foto-ionisatiegebeurtenissen werd echter aanzienlijk beperkt door de bandbreedte van gelijkstroommetingen.
In dit laatste werk maakten ze gebruik van radiofrequentiereflectometrie en realiseerden ze met succes snelle foto-ionisatiedetectie van enkele Er 3+ ionen in op silicium gebaseerde transistors met één elektron, en elke ionisatiegebeurtenis kan worden gedetecteerd met een tijdresolutie van beter dan 100 nanoseconden. Op basis van deze techniek onderzochten ze ook de levensduur van een enkele Er 3+ in de optische aangeslagen toestand ionen in op silicium gebaseerde nanoapparaten.
Het gebruik van de radiofrequentie-reflectometriedetectietechniek op afzonderlijke optische centra biedt nieuwe mogelijkheden voor schaalbare optische kwantumsystemen. Bovendien is deze methode veelbelovend voor het bereiken van een snelle uitlezing van andere afzonderlijke optische centra in vaste stoffen, waardoor de toepassingen van afzonderlijke optische centra in schaalbare kwantumsystemen en uiterst nauwkeurige detectie worden bevorderd.