研究人员使用基于金刚石的量子系统来控制纳米金刚石

我们知道,现在可以使用先进的纳米技术加工出仅几纳米大小的结构。

纳米光子集成可同时控制纳米金刚石中的大量量子机械自旋。图片提供:P。Schrinner / AG Schuck

最小尺度范围粒子,也称为量子系统,在许多不同领域提供了一系列技术应用,例如信息处理,磁场传感,超精密计时或安全通信。

这种微观上微小的结构的发展已经取得了很大进步,以至于它们的尺寸小于光的波长。以这种方式,现在有可能打破迄今为止在光学中遇到的限制并应用光的量子特性。简而言之,纳米光子学是量子技术的一项创新技术。

随着每个光子在量子态中的移动,研究人员将相关的光源描述为量子发射器。这些量子发射器可以被集成到纳米金刚石中。像这样的独特金刚石是由其微小的微小颗粒定义的,该颗粒的大小只有几纳米到几百纳米。

现在,明斯特大学的科学家们首次能够将纳米金刚石完全整合到纳米光子电路中,并同时光学解决了其中许多纳米金刚石的问题。

在此过程中,绿色激光聚焦在纳米金刚石的色心上,并且纳米金刚石内部产生的所有单个红色光子都被排放到纳米级光学组件的网格中。因此,研究小组目前可以在完全合并的状态下调节这些量子系统。研究结果已发表在Nano Letters期刊上。

背景与方法

早期,必须建立笨重的显微镜来调节这种量子系统。借助于制造技术,就像用于制造用于计算机处理器的芯片的技术一样,可以在单个硅芯片上使用波导或纳米纤维以类似的方式引导光。

这种尺寸小于微米的光波导是使用明斯特纳米制造工厂(MNF)的反应离子蚀刻设备和电子束光刻技术制成的。

在这里,典型实验装置的尺寸缩小到几百平方微米。缩小尺寸不仅意味着我们可以节省空间,以期将来涉及大量量子系统的应用,而且还使我们第一次能够同时控制多个这样的量子系统。

明斯特大学物理研究所助理教授Carsten Schuck

Schuck与固态理论研究所的助理教授Doris Reiter共同领导了这项研究。

在本研究之前进行的初步研究工作中,明斯特大学的研究人员设计了纳米光子电路和纳米金刚石之间的适当接口。在最新的实验中利用了这样的界面,其中使用波导以特别有效的方式耦合量子发射器。

物理学家在他们的实验中使用了所谓的珀塞尔效应。该效应导致纳米金刚石以更高的可能性而不是在某些偶然的方向上将单个光子释放到波导中。

该团队还能够在单个芯片上并行运行几个磁场传感器,这些磁场传感器基于内置的纳米金刚石构建。此前,这只能连续或单独实现。

为了使该方法可行,研究小组将掺入的纳米金刚石置于微波下,从而引起了色心的量子(自旋)状态的变化。自旋取向影响纳米金刚石的亮度,随后借助片上光学通道将其读出。

微波场的频率和亮度的可见变化取决于纳米金刚石位点处的磁场。

对局部磁场的高灵敏度使构造传感器成为可能,利用该传感器可以检测单个细菌甚至单个原子

明斯特大学研究主要作者Philip Schrinner

使用广泛的3D模拟,研究人员最初计算了纳米光子界面设计,从而确定了最佳几何形状。随后,他们将这些零件组装并制成了纳米光子电路。

在通过适当的技术对纳米金刚石进行集成和表征后,物理学家通过使用适合该目的的装置进行了量子力学测量。

在纳米光子电路中使用基于金刚石的量子系统可以提供一种新的可访问性,因为我们不再受显微镜设置的限制。使用我们介绍的方法,将来有可能在一个芯片上同时监视和读取大量这些量子系统

明斯大学固态理论研究所助理教授Doris Reiter

研究人员的研究为在量子光学领域进行更多研究铺平了道路。在这项研究中,纳米光子学可用于改变金刚石发射器的光物理特性。

除此之外,在量子技术领域还存在新的应用可能性,这将受益于集成纳米金刚石的特性,例如在量子信息处理或量子感测领域。

研究人员的下一步将涉及在磁力计领域中应用量子传感器,例如用于脑部扫描或半导体组件的材料分析。

为此,我们希望将大量传感器集成在一个芯片上,然后可以同时读取所有传感器,因此不仅可以在一处记录磁场,还可以可视化空间中的磁场梯度,” Schuck总结道…

参考文献:Schrinner, P. P. J., et al. (2020) Integration of Diamond-Based Quantum Emitters with Nanophotonic Circuits. Nano Letters. doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03262.
来 源:  https://www.uni-muenster.de/

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