Enheter som fångar det briljanta ljuset från miljontals kvantpunkter, inklusive lasrar i chipsskala och optiska förstärkare, har gjort övergången från laboratorieexperiment till kommersiella produkter. Men nyare typer av kvantprickenheter har varit långsammare att komma ut på marknaden eftersom de kräver utomordentligt noggrann anpassning mellan individuella punkter och miniatyroptiken som extraherar och styr den utsända strålningen.
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har nu utvecklat standarder och kalibreringar för optiska mikroskop som gör att kvantprickar kan riktas in mot mitten av en fotonisk komponent inom ett fel på 10 till 20 nanometer (ungefär en -tusendels tjocklek av ett pappersark).
Sådan inriktning är kritisk för enheter i chipskala som använder strålningen som emitteras av kvantpunkter för att lagra och överföra kvantinformation. Studien publiceras i Optica Quantum .
För första gången uppnådde NIST-forskarna denna nivå av noggrannhet över hela bilden från ett optiskt mikroskop, vilket gjorde det möjligt för dem att korrigera positionerna för många individuella kvantprickar. En modell som utvecklats av forskarna förutspår att om mikroskop kalibreras med de nya standarderna, kan antalet högpresterande enheter öka med så mycket som hundra gånger.
Den nya förmågan skulle kunna göra det möjligt för kvantinformationsteknologier som långsamt växer fram från forskningslaboratorier att studeras mer tillförlitligt och effektivt utvecklas till kommersiella produkter.
När de utvecklade sin metod skapade Craig Copeland, Samuel Stavis och deras medarbetare, inklusive kollegor från Joint Quantum Institute (JQI), ett forskningspartnerskap mellan NIST och University of Maryland, standarder och kalibreringar som var spårbara till International System of Units (SI) för optiska mikroskop som används för att styra inriktningen av kvantprickar.
"Den till synes enkla idén att hitta en kvantprick och placera en fotonisk komponent på den visar sig vara ett knepigt mätproblem," sa Copeland.
I en typisk mätning börjar fel ackumuleras när forskare använder ett optiskt mikroskop för att hitta platsen för individuella kvantprickar, som finns på slumpmässiga platser på ytan av ett halvledarmaterial. Om forskare ignorerar krympningen av halvledarmaterial vid de ultrakalla temperaturer vid vilka kvantprickar verkar, blir felen större.
Ytterligare komplicerar saken, dessa mätfel förvärras av felaktigheter i tillverkningsprocessen som forskare använder för att göra sina kalibreringsstandarder, vilket också påverkar placeringen av de fotoniska komponenterna.
NIST-metoden, som forskarna beskrev i en artikel som publicerades online i Optica Quantum den 18 mars, identifierar och korrigerar sådana fel, som tidigare förbisetts.
NIST-teamet skapade två typer av spårbara standarder för att kalibrera optiska mikroskop - först vid rumstemperatur för att analysera tillverkningsprocessen och sedan vid kryogena temperaturer för att mäta platsen för kvantprickar. Byggande på deras tidigare arbete bestod rumstemperaturstandarden av en rad hål i nanoskala placerade på ett visst avstånd från varandra i en metallfilm.
Forskarna mätte sedan de faktiska positionerna för hålen med ett atomkraftmikroskop, för att säkerställa att positionerna var spårbara till SI. Genom att jämföra de uppenbara positionerna för hålen som ses av det optiska mikroskopet med de faktiska positionerna, bedömde forskarna fel från förstoringskalibrering och bildförvrängning av det optiska mikroskopet. Det kalibrerade optiska mikroskopet kunde sedan användas för att snabbt mäta andra standarder som forskarna tillverkade, vilket möjliggör en statistisk analys av processens noggrannhet och variation.
"Bra statistik är avgörande för varje länk i en spårbarhetskedja", säger NIST-forskaren Adam Pintar, medförfattare till artikeln.
Forskargruppen utvidgade sin metod till låga temperaturer och kalibrerade ett ultrakallt optiskt mikroskop för avbildning av kvantprickar. För att utföra denna kalibrering skapade teamet en ny mikroskopistandard - en rad pelare tillverkade på en kiselwafer. Forskarna arbetade med kisel eftersom krympningen av materialet vid låga temperaturer har mätts noggrant.
Forskarna upptäckte flera fallgropar i att kalibrera förstoringen av kryogena optiska mikroskop, som tenderar att ha värre bildförvrängning än mikroskop som arbetar vid rumstemperatur. Dessa optiska brister böjer bilderna av raka linjer till knotiga kurvor som kalibreringen effektivt rätar ut. Om den inte korrigeras orsakar bildförvrängningen stora fel vid bestämning av positionen för kvantprickar och vid inriktning av prickarna inom mål, vågledare eller andra ljusstyrande enheter.
"Dessa fel har sannolikt hindrat forskare från att tillverka enheter som fungerar som förutspått", säger NIST-forskaren Marcelo Davanco, en medförfattare till artikeln.
Forskarna utvecklade en detaljerad modell av mätnings- och tillverkningsfel vid integrering av kvantpunkter med fotoniska komponenter i chipsskala. De studerade hur dessa fel begränsar kvantprickenheters förmåga att prestera som de är designade och hittade potentialen för hundrafaldig förbättring.
"En forskare kan vara glad om en av hundra enheter fungerar för sitt första experiment, men en tillverkare kan behöva 99 av hundra enheter för att fungera," noterade Stavis. "Vårt arbete är ett steg framåt i denna övergång från labb till fabrik."
Utöver kvantprickenheter kan spårbara standarder och kalibreringar under utveckling vid NIST förbättra noggrannheten och tillförlitligheten i andra krävande tillämpningar av optisk mikroskopi, som att avbilda hjärnceller och kartlägga neurala anslutningar.
För dessa strävanden försöker forskare också bestämma exakta positioner för de föremål som studeras över en hel mikroskopbild. Dessutom kan forskare behöva koordinera positionsdata från olika instrument vid olika temperaturer, vilket är sant för kvantprickenheter.
Mer information: Craig R. Copeland et al, Spårbar lokalisering möjliggör noggrann integrering av kvantemitter och fotoniska strukturer med högt utbyte, Optica Quantum (2024). DOI:10.1364/OPTICAQ.502464
Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.
