Vanderbilt ingenieur de eerste die dynamische manipulatie met laag vermogen van enkele kwantumobjecten op nanoschaal introduceert

Onder leiding van Justus Ndukaife, assistent-professor elektrotechniek, zijn Vanderbilt-onderzoekers de eersten die een benadering introduceren voor het vangen en verplaatsen van een nanomateriaal dat bekend staat als een enkele colloïdale nanodiamant met een stikstof-vacaturecentrum met behulp van een laserstraal met laag vermogen. De breedte van een enkele mensenhaar is ongeveer 90.000 nanometer; nanodiamanten zijn kleiner dan 100 nanometer. Deze op koolstof gebaseerde materialen zijn een van de weinige die de basiseenheid van al het licht kunnen vrijgeven – een enkel foton – een bouwsteen voor toekomstige kwantumfotonica-toepassingen, legt Ndukaife uit.

Momenteel is het mogelijk om nanodiamanten te vangen met behulp van lichtvelden die zijn gefocust in de buurt van metalen oppervlakken van nanoformaat, maar het is niet mogelijk om ze op die manier te verplaatsen omdat de laserstraalspots simpelweg te groot zijn. Met behulp van een atoomkrachtmicroscoop kost het wetenschappers uren om nanodiamanten één voor één op hun plaats te duwen in de buurt van een emissieverhogende omgeving om een ​​bruikbare structuur te vormen. Verder, om verstrengelde bronnen en qubits te creëren – sleutelelementen die de verwerkingssnelheden van kwantumcomputers verbeteren – zijn verschillende nanodiamantstralers dicht bij elkaar nodig, zodat ze kunnen interageren om qubits te maken, zei Ndukaife.

“We wilden het vangen en manipuleren van nanodiamanten eenvoudiger maken door een interdisciplinaire aanpak te gebruiken,” zei Ndukaife. “Ons pincet, een laagfrequent elektrothermoplasmonisch pincet (LFET), combineert een fractie van een laserstraal met een laagfrequent elektrisch wisselstroomveld. Dit is een geheel nieuw mechanisme om nanodiamanten te vangen en te verplaatsen.” Een vervelend, urenlang proces is teruggebracht tot seconden, en LFET is de eerste schaalbare transport- en on-demand assemblagetechnologie in zijn soort.

Het werk van Ndukaife is een belangrijk ingrediënt voor kwantumcomputing, een technologie die binnenkort een groot aantal toepassingen mogelijk zal maken, van beeldvorming met hoge resolutie tot het maken van onhackbare systemen en steeds kleinere apparaten en computerchips. In 2019 heeft het ministerie van Energie $60,7 miljoen geïnvesteerd in financiering om de ontwikkeling van quantum computing en netwerken te bevorderen.

“Het beheersen van nanodiamanten om efficiënte enkele fotonbronnen te maken die voor dit soort technologieën kunnen worden gebruikt, zal de toekomst vormgeven”, zei Ndukaife. “Om de kwantumeigenschappen te verbeteren, is het essentieel om kwantumstralers zoals nanodiamanten met stikstof-vacaturecentra te koppelen aan nanofotonische structuren.”

Ndukaife is van plan nanodiamanten verder te onderzoeken en ze te rangschikken op nanofotonische structuren die zijn ontworpen om hun emissieprestaties te verbeteren. Met ze op hun plaats, zal zijn lab de mogelijkheden onderzoeken voor ultraheldere enkelvoudige fotonbronnen en verstrengeling in een on-chip platform voor informatieverwerking en beeldvorming.

“Er zijn zoveel dingen waarop we dit onderzoek kunnen gebruiken om op voort te bouwen,” zei Ndukaife. “Dit is de eerste techniek waarmee we objecten op nanoschaal dynamisch in twee dimensies kunnen manipuleren met behulp van een laserstraal met laag vermogen.”

Het artikel, “Electrothermoplasmonic Trapping and Dynamic Manipulation of Single Colloidal Nanodiamond” werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters op 7 juni en was co-auteur van afgestudeerde studenten in het laboratorium van Ndukaife, Chuchuan Hong en Sen Yang, evenals hun medewerker, Ivan Kravchenko in het Oak Ridge National Laboratory.