Met behulp van moderne nanotechnologie, het is tegenwoordig mogelijk om structuren te maken met een kenmerkgrootte van slechts enkele nanometers. Deze wereld van de kleinste deeltjes - ook wel kwantumsystemen genoemd - maakt een breed scala aan technologische toepassingen mogelijk, in velden die magnetische velddetectie omvatten, informatieverwerking, veilige communicatie of uiterst nauwkeurige tijdregistratie. De productie van deze microscopisch kleine structuren is zo ver gevorderd dat ze afmetingen bereiken onder de golflengte van licht. Op deze manier, het is mogelijk om tot nu toe bestaande grenzen in de optica te doorbreken en de kwantumeigenschappen van licht te benutten. Met andere woorden, nanofotonica vertegenwoordigen een nieuwe benadering van kwantumtechnologieën.

Terwijl individuele fotonen in het kwantumregime bewegen, wetenschappers beschrijven de relevante lichtbronnen als kwantumstralers die kunnen worden ingebed in nanodiamanten, onder andere. Deze speciale diamanten worden gekenmerkt door hun zeer kleine deeltjesgrootte, die kunnen variëren van enkele tot enkele honderden nanometers. Onderzoekers van de Universiteit van Münster zijn er nu voor het eerst in geslaagd nanodiamanten volledig te integreren in nanofotonische circuits en tegelijkertijd meerdere van deze nanodiamanten optisch aan te pakken. In het proces, groen laserlicht wordt gericht op kleurcentra in de nanodiamanten, en de individuele rode fotonen die daar worden gegenereerd, worden uitgezonden in een netwerk van optische componenten op nanoschaal. Als resultaat, de onderzoekers kunnen deze kwantumsystemen nu volledig geïntegreerd aansturen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Achtergrond en methodologie

Eerder, het was nodig om omvangrijke microscopen op te zetten om dergelijke kwantumsystemen te besturen. Met fabricagetechnologieën die vergelijkbaar zijn met die voor het produceren van chips voor computerprocessors, licht kan op vergelijkbare wijze worden gericht met golfgeleiders (nanovezels) op een siliciumchip. Deze optische golfgeleiders, minder dan een micrometer meten, werden geproduceerd met de elektronenstraallithografie en reactieve ionenetsapparatuur in de Münster Nanofabrication Facility (MNF).

"Hier, de grootte van een typische experimentele opstelling werd verkleind tot een paar honderd vierkante micrometer, " legt assistent-professor Carsten Schuck van het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Münster uit, die de studie leidde in samenwerking met assistent-professor Doris Reiter van het Institute of Solid State Theory. “Door deze inkrimping kunnen we niet alleen ruimte besparen met het oog op toekomstige toepassingen met in grote aantallen quantumsystemen, maar " hij voegt toe, "maar het stelt ons ook in staat, Voor de eerste keer, om meerdere van dergelijke kwantumsystemen tegelijkertijd te besturen."

In voorbereidend werk voorafgaand aan de huidige studie, de Münster-wetenschappers ontwikkelden geschikte interfaces tussen de nanodiamanten en nanofotonische circuits. Deze interfaces werden gebruikt in de nieuwe experimenten, het op een bijzonder effectieve manier implementeren van de koppeling van kwantumstralers met golfgeleiders. In hun experimenten, gebruikten de natuurkundigen het zogenaamde Purcell-effect, waardoor de nanodiamant de individuele fotonen met een grotere kans in de golfgeleider uitzendt, in plaats van in een willekeurige richting.

De onderzoekers slaagden er ook in om twee magnetische veldsensoren te laten werken, gebaseerd op de geïntegreerde nanodiamanten, parallel op één chip. Eerder, dit was alleen individueel of achtereenvolgens mogelijk geweest. Om dit mogelijk te maken, de onderzoekers stelden de geïntegreerde nanodiamanten bloot aan microgolven, dus het induceren van veranderingen van de kwantum (spin) toestand van de kleurcentra. De oriëntatie van de spin beïnvloedt de helderheid van de nanodiamanten, die vervolgens werd uitgelezen met behulp van de optische toegang op de chip. De frequentie van het microgolfveld en daarmee de waarneembare helderheidsvariaties zijn afhankelijk van het magnetische veld ter plaatse van de nanodiamant. "De hoge gevoeligheid voor een lokaal magnetisch veld maakt het mogelijk om sensoren te bouwen waarmee individuele bacteriën en zelfs individuele atomen kunnen worden gedetecteerd, " legt Philip Schrinner uit, hoofdauteur van de studie.

Allereerst, de onderzoekers berekenden de nanofotonische interface-ontwerpen met behulp van uitgebreide 3D-simulaties, dus het bepalen van optimale geometrieën. Vervolgens hebben ze deze componenten geassembleerd en gefabriceerd tot een nanofotonisch circuit. Nadat de nanodiamanten waren geïntegreerd en gekarakteriseerd met behulp van aangepaste technologie, het team van natuurkundigen voerde de kwantummechanische metingen uit met een op maat gemaakte opstelling.

"Werken met op diamanten gebaseerde kwantumsystemen in nanofotonische circuits zorgt voor een nieuw soort toegankelijkheid, omdat we niet langer beperkt worden door microscoopopstellingen, " zegt Doris Reiter. "Met behulp van de methode die we hebben gepresenteerd, in de toekomst is het mogelijk om een ​​groot aantal van deze kwantumsystemen tegelijkertijd op één chip te monitoren en uit te lezen, " voegt ze eraan toe. Het werk van de onderzoekers schept de voorwaarden om verdere studies mogelijk te maken op het gebied van kwantumoptica - studies waarin nanofotonica kan worden gebruikt om de fotofysische eigenschappen van de diamantstralers te veranderen. zijn nieuwe toepassingsmogelijkheden op het gebied van quantumtechnologieën, die zullen profiteren van de eigenschappen van geïntegreerde nanodiamanten - op het gebied van kwantumdetectie of kwantuminformatieverwerking, bijvoorbeeld.

De volgende stappen omvatten het implementeren van kwantumsensoren op het gebied van magnetometrie, zoals bijvoorbeeld gebruikt bij materiaalanalyse voor halfgeleidercomponenten of hersenscans. "Hiertoe", zeg Carsten Schuck, "we willen een groot aantal sensoren op één chip integreren die dan allemaal tegelijk kunnen worden uitgelezen, en dus niet alleen het magnetische veld op één plek registreren, maar visualiseer ook magnetische veldgradiënten in de ruimte."