Med hjälp av modern nanoteknik, det är möjligt nuförtiden att producera strukturer som har en egenskapsstorlek på bara några nanometer. Denna värld av de minsta partiklarna – även känd som kvantsystem – möjliggör ett brett spektrum av tekniska tillämpningar, i fält som inkluderar magnetfältsavkänning, informationsbearbetning, säker kommunikation eller ultraprecis tidshållning. Produktionen av dessa mikroskopiskt små strukturer har gått så långt att de når dimensioner under ljusets våglängd. På det här sättet, det är möjligt att bryta ner hittills existerande gränser inom optiken och utnyttja ljusets kvantegenskaper. Med andra ord, nanofotonik representerar en ny metod för kvantteknik.

När enskilda fotoner rör sig i kvantregimen, forskare beskriver de relevanta ljuskällorna som kvantemitter som kan bäddas in i nanodiamanter, bland andra. Dessa speciella diamanter kännetecknas av sin mycket lilla partikelstorlek, som kan sträcka sig från bara några till flera hundra nanometer. Forskare vid universitetet i Münster har nu för första gången lyckats helt integrera nanodiamanter i nanofotoniska kretsar och samtidigt adressera flera av dessa nanodiamanter optiskt. I processen, grönt laserljus riktas mot färgcentra i nanodiamanterna, och de individuella röda fotonerna som genereras där sänds ut i ett nätverk av optiska komponenter i nanoskala. Som ett resultat, forskarna kan nu kontrollera dessa kvantsystem i ett helt integrerat tillstånd. Resultaten har publicerats i tidskriften Nanobokstäver .

Bakgrund och metodik

Tidigare, det var nödvändigt att sätta upp skrymmande mikroskop för att kontrollera sådana kvantsystem. Med tillverkningsteknik som liknar den för att producera chips för datorprocessorer, ljus kan riktas på ett jämförbart sätt med hjälp av vågledare (nanofibrer) på ett silikonchip. Dessa optiska vågledare, mäter mindre än en mikrometer, producerades med elektronstrålelitografi och reaktiv jonetsutrustning vid Münster Nanofabrication Facility (MNF).

"Här, storleken på en typisk experimentuppställning krymptes till några hundra kvadratmikrometer, " förklarar biträdande professor Carsten Schuck från Institutet för fysik vid universitetet i Münster, som ledde studien i samarbete med biträdande professor Doris Reiter från Institute of Solid State Theory. "Denna neddragning innebär inte bara att vi kan spara utrymme med tanke på framtida tillämpningar som involverar kvantsystem i stort antal, " han lägger till, "men det gör det också möjligt för oss, för första gången, att kontrollera flera sådana kvantsystem samtidigt."

I förarbeten inför den aktuella studien, Münster-forskarna utvecklade lämpliga gränssnitt mellan nanodiamanterna och nanofotoniska kretsar. Dessa gränssnitt användes i de nya experimenten, implementera kopplingen av kvantemitters med vågledare på ett särskilt effektivt sätt. I sina experiment, fysikerna använde den så kallade Purcell-effekten, vilket gör att nanodiamanten sänder ut de enskilda fotonerna med högre sannolikhet in i vågledaren, istället för i någon slumpmässig riktning.

Forskarna lyckades också köra två magnetfältssensorer, baserad på de integrerade nanodiamanterna, parallellt på ett chip. Tidigare, detta hade bara varit möjligt individuellt eller successivt. För att göra detta möjligt, forskarna exponerade de integrerade nanodiamanterna för mikrovågor, vilket inducerar förändringar av kvanttillståndet (spin) för färgcentra. Rotationens orientering påverkar ljusstyrkan hos nanodiamanterna, som sedan lästes ut med den optiska åtkomsten på chipet. Mikrovågsfältets frekvens och därmed de observerbara ljusstyrkavariationerna beror på magnetfältet vid platsen för nanodiamanten. "Den höga känsligheten för ett lokalt magnetfält gör det möjligt att konstruera sensorer med vilka enskilda bakterier och till och med enskilda atomer kan detekteras, " förklarar Philip Schrinner, huvudförfattare till studien.

För det första, forskarna beräknade de nanofotoniska gränssnittsdesignerna med hjälp av utarbetade 3D-simuleringar, bestämmer därmed optimala geometrier. De satte sedan ihop och tillverkade dessa komponenter till en nanofotonisk krets. Efter att nanodiamanterna integrerades och karaktäriserades med hjälp av anpassad teknologi, teamet av fysiker utförde de kvantmekaniska mätningarna med hjälp av en uppställning anpassad för ändamålet.

"Att arbeta med diamantbaserade kvantsystem i nanofotoniska kretsar möjliggör en ny typ av tillgänglighet, eftersom vi inte längre är begränsade av mikroskopinställningar, " säger Doris Reiter. "Med den metod vi har presenterat, det kommer att vara möjligt i framtiden att samtidigt övervaka och läsa ut ett stort antal av dessa kvantsystem på ett chip, ", tillägger hon. Forskarnas arbete skapar förutsättningar för att göra det möjligt att genomföra ytterligare studier inom området kvantoptik – studier där nanofotonik kan användas för att förändra diamantsändarnas fotofysikaliska egenskaper. Utöver detta finns är nya tillämpningsmöjligheter inom området kvantteknologi, som kommer att dra nytta av egenskaperna hos integrerade nanodiamanter – inom området kvantavkänning eller kvantinformationsbehandling, till exempel.

Nästa steg kommer att inkludera implementering av kvantsensorer inom magnetometriområdet, som används till exempel i materialanalys för halvledarkomponenter eller hjärnskanningar. "För detta ändamål", säger Carsten Schuck, "vi vill integrera ett stort antal sensorer på ett chip som sedan alla kan läsas ut samtidigt, och därmed inte bara registrera magnetfältet på ett ställe, men också visualisera magnetfältsgradienter i rymden."