I dispositivi che catturano la luce brillante proveniente da milioni di punti quantici, compresi laser su scala di chip e amplificatori ottici, sono passati dagli esperimenti di laboratorio ai prodotti commerciali. Ma i nuovi tipi di dispositivi a punti quantici sono arrivati più lentamente sul mercato perché richiedono un allineamento straordinariamente accurato tra i singoli punti e le ottiche in miniatura che estraggono e guidano la radiazione emessa.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno ora sviluppato standard e calibrazioni per microscopi ottici che consentono ai punti quantici di essere allineati con il centro di un componente fotonico con un errore compreso tra 10 e 20 nanometri (circa uno -millesimo dello spessore di un foglio di carta).
Tale allineamento è fondamentale per i dispositivi su scala chip che utilizzano la radiazione emessa dai punti quantici per archiviare e trasmettere informazioni quantistiche. Lo studio è pubblicato su Optica Quantum .
Per la prima volta, i ricercatori del NIST hanno raggiunto questo livello di precisione sull’intera immagine ottenuta da un microscopio ottico, consentendo loro di correggere le posizioni di molti singoli punti quantici. Un modello sviluppato dai ricercatori prevede che se i microscopi venissero calibrati utilizzando i nuovi standard, il numero di dispositivi ad alte prestazioni potrebbe aumentare fino a cento volte.
Questa nuova capacità potrebbe consentire alle tecnologie dell'informazione quantistica che stanno lentamente emergendo dai laboratori di ricerca di essere studiate in modo più affidabile e sviluppate in modo efficiente in prodotti commerciali.
Nello sviluppare il loro metodo, Craig Copeland, Samuel Stavis e i loro collaboratori, compresi quelli del Joint Quantum Institute (JQI), una partnership di ricerca tra il NIST e l'Università del Maryland, hanno creato standard e calibrazioni riconducibili al Sistema Internazionale di Unità (SI) per microscopi ottici utilizzati per guidare l'allineamento dei punti quantici.
"L'idea apparentemente semplice di trovare un punto quantico e posizionarvi sopra un componente fotonico si rivela un problema di misurazione complicato", ha affermato Copeland.
In una misurazione tipica, gli errori iniziano ad accumularsi quando i ricercatori utilizzano un microscopio ottico per trovare la posizione dei singoli punti quantici, che risiedono in posizioni casuali sulla superficie di un materiale semiconduttore. Se i ricercatori ignorano il restringimento dei materiali semiconduttori alle temperature ultrafredde a cui operano i punti quantici, gli errori aumentano.
A complicare ulteriormente le cose, questi errori di misurazione sono aggravati da imprecisioni nel processo di fabbricazione che i ricercatori utilizzano per realizzare i loro standard di calibrazione, che influiscono anche sul posizionamento dei componenti fotonici.
Il metodo NIST, descritto dai ricercatori in un articolo pubblicato online su Optica Quantum il 18 marzo, identifica e corregge tali errori, che in precedenza erano trascurati.
Il team del NIST ha creato due tipi di standard tracciabili per calibrare i microscopi ottici:prima a temperatura ambiente per analizzare il processo di fabbricazione, e poi a temperature criogeniche per misurare la posizione dei punti quantici. Basandosi sul lavoro precedente, lo standard della temperatura ambiente consisteva in una serie di fori su scala nanometrica distanziati a una determinata distanza l'uno dall'altro in una pellicola metallica.
I ricercatori hanno poi misurato le posizioni effettive dei fori con un microscopio a forza atomica, assicurandosi che le posizioni fossero riconducibili al SI. Confrontando le posizioni apparenti dei fori visti dal microscopio ottico con le posizioni effettive, i ricercatori hanno valutato gli errori derivanti dalla calibrazione dell'ingrandimento e dalla distorsione dell'immagine del microscopio ottico. Il microscopio ottico calibrato potrebbe quindi essere utilizzato per misurare rapidamente altri standard fabbricati dai ricercatori, consentendo un'analisi statistica dell'accuratezza e della variabilità del processo.
"Buone statistiche sono essenziali per ogni anello di una catena di tracciabilità", ha affermato Adam Pintar, ricercatore del NIST, coautore dell'articolo.
Estendendo il metodo alle basse temperature, il gruppo di ricerca ha calibrato un microscopio ottico ultrafreddo per l'imaging di punti quantici. Per eseguire questa calibrazione, il team ha creato un nuovo standard di microscopia:una serie di pilastri fabbricati su un wafer di silicio. Gli scienziati hanno lavorato con il silicio perché il ritiro del materiale a basse temperature è stato misurato accuratamente.
I ricercatori hanno scoperto diverse insidie nella calibrazione dell'ingrandimento dei microscopi ottici criogenici, che tendono ad avere una distorsione dell'immagine peggiore rispetto ai microscopi che funzionano a temperatura ambiente. Queste imperfezioni ottiche piegano le immagini delle linee rette in curve nodose che la calibrazione raddrizza efficacemente. Se non corretta, la distorsione dell'immagine provoca grandi errori nella determinazione della posizione dei punti quantici e nell'allineamento dei punti all'interno di target, guide d'onda o altri dispositivi di controllo della luce.
"Questi errori hanno probabilmente impedito ai ricercatori di fabbricare dispositivi che funzionino come previsto", ha affermato il ricercatore NIST Marcelo Davanco, coautore dell'articolo.
I ricercatori hanno sviluppato un modello dettagliato degli errori di misurazione e fabbricazione nell'integrazione dei punti quantici con componenti fotonici su scala di chip. Hanno studiato come questi errori limitino la capacità dei dispositivi a punti quantici di funzionare come previsto, scoprendo il potenziale per un miglioramento centuplicato.
"Un ricercatore potrebbe essere felice se un dispositivo su cento funzionasse per il suo primo esperimento, ma un produttore potrebbe aver bisogno che novantanove dispositivi su cento funzionino", ha osservato Stavis. "Il nostro lavoro rappresenta un passo avanti in questa transizione dal laboratorio alla fabbrica."
Oltre ai dispositivi a punti quantici, gli standard tracciabili e le calibrazioni in fase di sviluppo presso il NIST possono migliorare la precisione e l'affidabilità in altre impegnative applicazioni della microscopia ottica, come l'imaging delle cellule cerebrali e la mappatura delle connessioni neurali.
Per questi sforzi, i ricercatori cercano anche di determinare le posizioni accurate degli oggetti oggetto di studio su un'intera immagine al microscopio. Inoltre, gli scienziati potrebbero dover coordinare i dati sulla posizione provenienti da diversi strumenti a temperature diverse, come avviene per i dispositivi a punti quantici.
Ulteriori informazioni: Craig R. Copeland et al, La localizzazione tracciabile consente un'integrazione accurata di emettitori quantistici e strutture fotoniche ad alto rendimento, Optica Quantum (2024). DOI:10.1364/OPTICAQ.502464
Fornito dal National Institute of Standards and Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
