Utilizzando le moderne nanotecnologie, oggigiorno è possibile produrre strutture che hanno dimensioni caratteristiche di pochi nanometri. Questo mondo di minuscole particelle, noto anche come sistemi quantistici, rende possibile un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche, in campi che includono il rilevamento del campo magnetico, elaborazione delle informazioni, comunicazione sicura o cronometraggio ultra preciso. La produzione di queste strutture microscopiche è progredita fino a raggiungere dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce. In questo modo, è possibile abbattere i confini finora esistenti nell'ottica e utilizzare le proprietà quantistiche della luce. In altre parole, la nanofotonica rappresenta un nuovo approccio alle tecnologie quantistiche.

Quando i singoli fotoni si muovono nel regime quantistico, gli scienziati descrivono le sorgenti luminose rilevanti come emettitori quantistici che possono essere incorporati in nanodiamanti, tra gli altri. Questi speciali diamanti sono caratterizzati dalla loro granulometria molto piccola, che può variare da pochi a diverse centinaia di nanometri. I ricercatori dell'Università di Münster sono ora riusciti per la prima volta a integrare completamente i nanodiamanti in circuiti nanofotonici e allo stesso tempo ad affrontare otticamente molti di questi nanodiamanti. Nel processo, la luce laser verde è diretta sui centri di colore nei nanodiamanti, e i singoli fotoni rossi generati vengono emessi in una rete di componenti ottici su nanoscala. Di conseguenza, i ricercatori possono ora controllare questi sistemi quantistici in uno stato completamente integrato. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano lettere .

Contesto e metodologia

In precedenza, era necessario allestire microscopi ingombranti per controllare tali sistemi quantistici. Con tecnologie di fabbricazione simili a quelle per la produzione di chip per processori di computer, la luce può essere diretta in modo analogo utilizzando guide d'onda (nanofibre) su un chip di silicio. Queste guide d'onda ottiche, misurando meno di un micrometro, sono stati prodotti con la litografia a fascio di elettroni e l'attrezzatura di incisione con ioni reattivi presso la Münster Nanofabrication Facility (MNF).

"Qui, la dimensione di un tipico apparato sperimentale è stata ridotta a poche centinaia di micrometri quadrati, " spiega l'assistente professore Carsten Schuck dell'Istituto di fisica dell'Università di Münster, che ha guidato lo studio in collaborazione con l'assistente professoressa Doris Reiter dell'Institute of Solid State Theory. "Questo ridimensionamento non significa solo che possiamo risparmiare spazio in vista di applicazioni future che coinvolgono sistemi quantistici in gran numero, " Aggiunge, "ma ci permette anche, per la prima volta, per controllare molti di questi sistemi quantistici contemporaneamente."

Nel lavoro preliminare prima del presente studio, gli scienziati di Münster hanno sviluppato interfacce adeguate tra i nanodiamanti ei circuiti nanofotonici. Queste interfacce sono state utilizzate nei nuovi esperimenti, implementare in modo particolarmente efficace l'accoppiamento di emettitori quantistici con guide d'onda. Nei loro esperimenti, i fisici utilizzarono il cosiddetto effetto Purcell, che fa sì che il nanodiamante emetta i singoli fotoni con maggiore probabilità nella guida d'onda, invece che in qualche direzione casuale.

I ricercatori sono anche riusciti a far funzionare due sensori di campo magnetico, basato sui nanodiamanti integrati, in parallelo su un chip. In precedenza, questo era stato possibile solo individualmente o successivamente. Per rendere questo possibile, i ricercatori hanno esposto i nanodiamanti integrati alle microonde, inducendo così cambiamenti dello stato quantistico (spin) dei centri di colore. L'orientamento dello spin influenza la brillantezza dei nanodiamanti, che è stato successivamente letto utilizzando l'accesso ottico su chip. La frequenza del campo a microonde e quindi le variazioni di luminosità osservabili dipendono dal campo magnetico nella posizione del nanodiamante. "L'elevata sensibilità a un campo magnetico locale consente di costruire sensori con i quali è possibile rilevare singoli batteri e persino singoli atomi, " spiega Philip Schrinner, autore principale dello studio.

Prima di tutto, i ricercatori hanno calcolato i progetti dell'interfaccia nanofotonica utilizzando elaborate simulazioni 3D, determinando così le geometrie ottimali. Hanno quindi assemblato e fabbricato questi componenti in un circuito nanofotonico. Dopo che i nanodiamanti sono stati integrati e caratterizzati utilizzando una tecnologia adattata, il team di fisici ha effettuato le misure di meccanica quantistica mediante un allestimento personalizzato allo scopo.

"Lavorare con sistemi quantistici basati su diamanti in circuiti nanofotonici consente un nuovo tipo di accessibilità, poiché non siamo più limitati dalle impostazioni del microscopio, " dice Doris Reiter. "Utilizzando il metodo che abbiamo presentato, sarà possibile in futuro monitorare e leggere simultaneamente un gran numero di questi sistemi quantistici su un chip, " aggiunge. Il lavoro dei ricercatori crea le condizioni per consentire lo svolgimento di ulteriori studi nel campo dell'ottica quantistica, studi in cui la nanofotonica può essere utilizzata per modificare le proprietà fotofisiche degli emettitori di diamanti. sono nuove possibilità applicative nel campo delle tecnologie quantistiche, che beneficeranno delle proprietà dei nanodiamanti integrati, nel campo del rilevamento quantistico o dell'elaborazione delle informazioni quantistiche, Per esempio.

I prossimi passi includeranno l'implementazione di sensori quantistici nel campo della magnetometria, come utilizzato ad esempio nell'analisi dei materiali per componenti semiconduttori o scansioni cerebrali. "A tal fine", dire Carsten Schuck, "vogliamo integrare un gran numero di sensori su un chip che possono essere letti tutti contemporaneamente, e quindi non solo registra il campo magnetico in un punto, ma visualizza anche i gradienti di campo magnetico nello spazio."