Controle over volledig geïntegreerde nanodiamanten

Met behulp van moderne nanotechnologie is het tegenwoordig mogelijk om structuren te maken met een kenmerkgrootte van slechts enkele nanometers. Deze wereld van de meest minuscule deeltjes – ook wel kwantumsystemen genoemd – maakt een breed scala aan technologische toepassingen mogelijk, onder meer op het gebied van detectie van magnetische velden, 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 is het mogelijk om tot dusverre bestaande grenzen in de optica te doorbreken en de kwantumeigenschappen van licht te benutten. Met andere woorden, nanofotonica vertegenwoordigt een nieuwe benadering van kwantumtechnologieën.

Terwijl individuele fotonen bewegen in het kwantumregime, beschrijven wetenschappers de relevante lichtbronnen als kwantumemitters die onder andere in nanodiamanten kunnen worden ingebed. Deze bijzondere diamanten worden gekenmerkt door hun zeer kleine deeltjesgrootte, die kan 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 verschillende van deze nanodiamanten optisch aan te pakken. In het proces wordt groen laserlicht gericht op kleurcentra in de nanodiamanten en worden de individuele rode fotonen die daar worden gegenereerd, uitgezonden in een netwerk van optische componenten op nanoschaal. Hierdoor kunnen de onderzoekers deze kwantumsystemen nu volledig geïntegreerd besturen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Achtergrond en methodologie

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

“Hier werd de grootte van een typische experimentele opstelling verkleind tot een paar honderd vierkante micrometers”, legt assistent-professor Carsten Schuck van het Institute of Physics aan de Universiteit van Münster uit, die de studie leidde in samenwerking met assistent-professor Doris Reiter van het Institute of Solid State Theory. “Deze verkleining betekent niet alleen dat we ruimte kunnen besparen met het oog op toekomstige toepassingen met kwantumsystemen in grote aantallen”, voegt hij eraan toe, “maar het stelt ons ook voor het eerst in staat om meerdere van dergelijke kwantumsystemen tegelijkertijd te besturen.”

In voorbereidend werk voorafgaand aan de huidige studie, ontwikkelden de Münster-wetenschappers geschikte interfaces tussen de nanodiamanten en nanofotonische circuits. Deze interfaces werden gebruikt in de nieuwe experimenten, waarbij de koppeling van kwantumemitters met golfgeleiders op een bijzonder effectieve manier werd geïmplementeerd. In hun experimenten maakten de natuurkundigen gebruik van het zogenaamde Purcell-effect, dat ervoor zorgt dat de nanodiamant de individuele fotonen met een grotere waarschijnlijkheid in de golfgeleider uitzendt, in plaats van in een willekeurige richting.

De onderzoekers slaagden er ook in om twee magnetische veldsensoren, gebaseerd op de geïntegreerde nanodiamanten, parallel op één chip te laten lopen. Voorheen was dit alleen mogelijk afzonderlijk of achtereenvolgens mogelijk. Om dit mogelijk te maken, hebben de onderzoekers de geïntegreerde nanodiamanten blootgesteld aan microgolven, waardoor veranderingen in de kwantum (spin) toestand van de kleurcentra worden veroorzaakt. 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, hoofdauteur van de studie, uit.

Allereerst berekenden de onderzoekers de nanofotonische interfaceontwerpen met behulp van uitgebreide 3D-simulaties, waardoor de optimale geometrieën werden bepaald. Ze hebben deze componenten vervolgens geassembleerd en gefabriceerd tot een nanofotonisch circuit. Nadat de nanodiamanten waren geïntegreerd en gekarakteriseerd met behulp van aangepaste technologie, voerde het team van fysici de kwantummechanische metingen uit aan de hand van een op maat gemaakte opstelling.

“Het werken met op diamanten gebaseerde kwantumsystemen in nanofotonische circuits zorgt voor een nieuw soort toegankelijkheid, aangezien we niet langer worden beperkt door microscoopopstellingen”, zegt Doris Reiter. “Met behulp van de door ons gepresenteerde methode is het in de toekomst 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. Daarnaast zijn er nieuwe toepassingsmogelijkheden op het gebied van quantumtechnologieën, die profiteren van de eigenschappen van geïntegreerde nanodiamanten, bijvoorbeeld op het gebied van quantum sensing of quantuminformatieverwerking.

De volgende stappen zijn het implementeren van quantumsensoren op het gebied van magnetometrie, zoals bijvoorbeeld gebruikt bij materiaalanalyse voor halfgeleidercomponenten of hersenscans. ‘Daartoe’, zegt Carsten Schuck, ‘willen we 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 ook magnetische veldgradiënten visualiseren. in de ruimte.”