Kvanteffekter finns verkligen i världen av nanostrukturer och tillåter en mängd olika nya tekniska tillämpningar. Till exempel, en kvantdator kan i framtiden lösa problem, som konventionella datorer behöver mycket tid att hantera. Över hela världen, forskare är engagerade i intensivt arbete med de individuella komponenterna i kvantteknologier - dessa inkluderar kretsar som bearbetar information med enstaka fotoner istället för elektricitet, såväl som ljuskällor som producerar sådana individuella ljuskvanta. Att koppla ihop dessa två komponenter för att producera integrerade kvantoptiska kretsar på chips utgör en särskild utmaning.

Forskare vid universitetet i Münster (Tyskland) har nu utvecklat ett gränssnitt som kopplar ihop ljuskällor för enstaka fotoner med nanofotoniska nätverk. Detta gränssnitt består av så kallade fotoniska kristaller, d.v.s. nanostrukturerade dielektriska material som kan förstärka ett visst våglängdsområde när ljus passerar igenom. Sådana fotoniska kristaller används inom många forskningsområden, men de hade inte tidigare optimerats för den här typen av gränssnitt. Forskarna var särskilt noga med att uppnå denna bedrift på ett sätt som gör det möjligt att replikera de fotoniska kristallerna enkelt genom att använda etablerade nanotillverkningsprocesser.

"Vårt arbete visar att det inte bara är i högt specialiserade laboratorier och unika experiment som komplexa kvantteknologier kan produceras, " säger fysiker Dr. Carsten Schuck, en biträdande professor vid Münster University som ledde studien tillsammans med Dr. Doris Reiter, likaså en biträdande professor, som arbetar inom solid state-teori. Resultaten kan hjälpa till att göra kvantteknik skalbar. Studien har publicerats i tidskriften Avancerad kvantteknologi .

Bakgrund och metod:

Eftersom enskilda fotoner lyder kvantfysikens lagar, forskare talar om kvantemitter med avseende på de inblandade ljuskällorna. För sina studier, forskarna övervägde kvantemitter som är inbäddade i nanodiamanter och avger fotoner när de stimuleras med hjälp av elektromagnetiska fält. För att skapa önskade gränssnitt, forskarnas mål var att utveckla optiska strukturer anpassade till kvantemitternas våglängd.

Kaviteter eller hål i fotoniska kristaller är väl lämpade för att fånga ljus i små volymer och få det att interagera med materia som, I detta fall, nanodiamanter. Jan Olthaus, en Ph.D. student i fysik i Doris Reiters juniorforskargrupp, utvecklat teoretiska koncept och speciella datorstödda simuleringstekniker för att beräkna designen för dessa fotoniska kristaller.

De teoretiskt utvecklade designerna har tagits fram av fysiker i den yngre forskargruppen som leds av Carsten Schuck vid Center for NanoTechnology och Center for Soft Nanoscience vid Münster University. Ph.D. Student Philipp Schrinner tillverkade kristallerna av en tunn film av kiselnitrid. För det här syftet, han använde modern elektronstrålelitografi och speciella etsningsmetoder på utrustningen vid Münster Nanofabrication Facility och lyckades producera högkvalitativa kristaller direkt på basmaterialet av kiseldioxid.

Vid strukturering av kristallerna, forskarna varierade inte bara storleken och arrangemanget av hålrummen, men också bredden på vågledaren som hålrummen placerades på. De uppmätta resultaten visade att fotoniska kristaller som visade en speciell variation i hålstorlekar var bäst lämpade för gränssnitten.

"Vårt samarbete – mellan teoretiska och experimentella fysiker – är idealiskt för fysikforskning, " säger Doris Reiter. "Den här typen av samarbete är inte alltid lätt, eftersom våra respektive arbetsmetoder ofta är väldigt olika – det är därför vi är desto mer glada över att det blev så bra för våra två yngre forskargrupper." "Vad är speciellt med vårt arbete, ", tillägger Carsten Schuck, "är att våra konstruktioner inte kräver några ytterligare bearbetningssteg, eftersom de är kompatibla med etablerad tunnfilmsteknik för integrerade fotoniska kretsar." Detta kan inte tas för givet i utvecklingen av komplexa kvantteknologier, för även om forskare ofta lyckas ta fram en viktig, högkvalitativ komponent som en engångsföreteelse, de kan inte producera flera kopior av samma komponent igen.

Nästa steg för forskarna innebär att försöka positionera kvantemitterna, inbäddade i nanodiamanterna, på vissa ställen på de fotoniska kristallerna – med syftet att omsätta studiens resultat i praktiken. För detta ändamål, teamet som leds av Carsten Schuck håller redan på att utveckla en speciell nanotillverkningsteknik som kan, till exempel, att placera en diamant bara 100 nanometer stor med en noggrannhet på mindre än 50 nanometer. Teamet av teoretiska fysiker ledda av Doris Reiter vill utöka studierna till andra materialsystem och mer komplexa geometrier av fotoniska kristaller och, till exempel, använd elliptiska hål istället för runda.