Gli effetti quantistici si trovano davvero nel mondo delle nanostrutture e consentono un'ampia varietà di nuove applicazioni tecnologiche. Per esempio, un computer quantistico potrebbe in futuro risolvere problemi, che i computer convenzionali hanno bisogno di molto tempo per gestire. Tutto il mondo, i ricercatori sono impegnati in un intenso lavoro sui singoli componenti delle tecnologie quantistiche, tra cui circuiti che elaborano le informazioni utilizzando singoli fotoni invece dell'elettricità, così come le sorgenti luminose che producono tali quanti individuali di luce. L'accoppiamento di questi due componenti per produrre circuiti ottici quantistici integrati su chip rappresenta una sfida particolare.

I ricercatori dell'Università di Münster (Germania) hanno ora sviluppato un'interfaccia che accoppia sorgenti luminose per singoli fotoni con reti nanofotoniche. Questa interfaccia è costituita dai cosiddetti cristalli fotonici, vale a dire materiali dielettrici nanostrutturati che possono aumentare un certo intervallo di lunghezze d'onda quando la luce passa attraverso. Tali cristalli fotonici sono utilizzati in molte aree di ricerca, ma non erano stati precedentemente ottimizzati per questo tipo di interfaccia. I ricercatori hanno prestato particolare attenzione a realizzare questa impresa in un modo che consenta di replicare i cristalli fotonici in modo semplice utilizzando processi di nanofabbricazione consolidati.

"Il nostro lavoro dimostra che non è solo in laboratori altamente specializzati ed esperimenti unici che possono essere prodotte tecnologie quantistiche complesse, " dice il fisico Dr. Carsten Schuck, un assistente professore all'Università di Münster che ha diretto lo studio insieme alla dott.ssa Doris Reiter, anche un assistente professore, che lavora nel campo della teoria dello stato solido. I risultati potrebbero aiutare a rendere scalabili le tecnologie quantistiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Tecnologie quantistiche avanzate .

Contesto e metodo:

Poiché i singoli fotoni obbediscono alle leggi della fisica quantistica, i ricercatori parlano di emettitori quantistici rispetto alle sorgenti luminose coinvolte. Per il loro studio, i ricercatori hanno considerato emettitori quantistici che sono incorporati nei nanodiamanti ed emettono fotoni quando vengono stimolati mediante campi elettromagnetici. Per produrre le interfacce desiderate, l'obiettivo dei ricercatori era sviluppare strutture ottiche adattate alla lunghezza d'onda degli emettitori quantistici.

Le cavità o i fori nei cristalli fotonici sono adatti per intrappolare la luce in volumi minuscoli e farla interagire con la materia come, in questo caso, nanodiamanti. Jan Olthaus, un dottorato di ricerca studente di fisica nel gruppo di ricerca junior di Doris Reiter, ha sviluppato concetti teorici e speciali tecniche di simulazione assistita da computer per calcolare i progetti per questi cristalli fotonici.

I progetti sviluppati teoricamente sono stati prodotti dai fisici del gruppo di ricerca junior guidato da Carsten Schuck presso il Center for NanoTechnology e il Center for Soft Nanoscience dell'Università di Münster. dottorato di ricerca lo studente Philipp Schrinner ha prodotto i cristalli da una sottile pellicola di nitruro di silicio. Per questo scopo, ha utilizzato la moderna litografia a fascio di elettroni e metodi di incisione speciali sull'attrezzatura presso l'impianto di nanofabbricazione di Münster ed è riuscito a produrre cristalli di alta qualità direttamente sul materiale di base del biossido di silicio.

Nella strutturazione dei cristalli, i ricercatori hanno variato non solo la dimensione e la disposizione delle cavità, ma anche la larghezza della guida d'onda su cui sono state collocate le cavità. I risultati misurati hanno mostrato che i cristalli fotonici che mostravano una variazione speciale nelle dimensioni dei fori erano i più adatti per le interfacce.

"La nostra collaborazione, tra fisici teorici e sperimentali, è ideale per la ricerca in fisica, " afferma Doris Reiter. "Questo tipo di collaborazione non è sempre facile, poiché i nostri rispettivi metodi di lavoro sono spesso davvero molto diversi, motivo per cui siamo ancora più lieti che sia andato così bene nel caso dei nostri due gruppi di ricerca junior." "Cosa c'è di speciale nel nostro lavoro, " aggiunge Carsten Schuck, "è che i nostri progetti non richiedono passaggi di elaborazione aggiuntivi, perché sono compatibili con la consolidata tecnologia a film sottile per circuiti fotonici integrati." Questo non può essere dato per scontato nello sviluppo di tecnologie quantistiche complesse, perché sebbene i ricercatori riescano spesso a produrre un importante, componente di alta qualità come pezzo unico, non sono in grado di produrre nuovamente più copie dello stesso componente.

I prossimi passi per i ricercatori riguardano il tentativo di posizionare gli emettitori quantistici, incastonato nei nanodiamanti, in determinati punti dei cristalli fotonici, allo scopo di mettere in pratica i risultati dello studio. A tal fine, il team guidato da Carsten Schuck sta già sviluppando una speciale tecnica di nanofabbricazione in grado, Per esempio, posizionare un diamante di appena 100 nanometri con una precisione inferiore a 50 nanometri. Il team di fisici teorici guidato da Doris Reiter vuole estendere gli studi ad altri sistemi di materiali e geometrie più complesse di cristalli fotonici e, Per esempio, utilizzare fori ellittici invece di quelli rotondi.