Los efectos cuánticos se encuentran genuinamente en el mundo de las nanoestructuras y permiten una amplia variedad de nuevas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, una computadora cuántica podría resolver problemas en el futuro, que las computadoras convencionales necesitan mucho tiempo para manejar. Por todo el mundo, Los investigadores están comprometidos en un trabajo intensivo sobre los componentes individuales de las tecnologías cuánticas; estos incluyen circuitos que procesan información utilizando fotones individuales en lugar de electricidad. así como fuentes de luz que produzcan tales cuantos de luz individuales. El acoplamiento de estos dos componentes para producir circuitos ópticos cuánticos integrados en chips presenta un desafío particular.

Investigadores de la Universidad de Münster (Alemania) han desarrollado una interfaz que combina fuentes de luz para fotones individuales con redes nanofotónicas. Esta interfaz consta de los llamados cristales fotónicos, es decir, materiales dieléctricos nanoestructurados que pueden mejorar un cierto rango de longitud de onda cuando pasa la luz. Estos cristales fotónicos se utilizan en muchas áreas de investigación, pero no habían sido optimizados previamente para este tipo de interfaz. Los investigadores pusieron especial cuidado en lograr esta hazaña de una manera que permita replicar los cristales fotónicos directamente mediante el uso de procesos de nanofabricación establecidos.

"Nuestro trabajo muestra que no es solo en laboratorios altamente especializados y experimentos únicos donde se pueden producir tecnologías cuánticas complejas, "dice el físico Dr. Carsten Schuck, un profesor asistente en la Universidad de Münster que dirigió el estudio junto con la Dra. Doris Reiter, igualmente un profesor asistente, que trabaja en el campo de la teoría del estado sólido. Los resultados podrían ayudar a hacer que las tecnologías cuánticas sean escalables. El estudio ha sido publicado en la revista Tecnologías cuánticas avanzadas .

Antecedentes y método:

Como los fotones individuales obedecen las leyes de la física cuántica, los investigadores hablan de emisores cuánticos con respecto a las fuentes de luz involucradas. Para su estudio, los investigadores consideraron emisores cuánticos que están incrustados en nanodiamantes y emiten fotones cuando son estimulados por medio de campos electromagnéticos. Para producir las interfaces deseadas, El objetivo de los investigadores era desarrollar estructuras ópticas adaptadas a la longitud de onda de los emisores cuánticos.

Las cavidades o agujeros en los cristales fotónicos son muy adecuados para atrapar la luz en volúmenes diminutos y hacer que interactúe con la materia como, en este caso, nanodiamantes. Jan Olthaus, un doctorado estudiante de física en el grupo de investigación junior de Doris Reiter, desarrolló conceptos teóricos y técnicas especiales de simulación asistida por computadora para calcular los diseños de estos cristales fotónicos.

Los diseños desarrollados teóricamente fueron producidos por físicos del grupo de investigación junior encabezado por Carsten Schuck en el Centro de NanoTecnología y el Centro de Nanociencia Blanda de la Universidad de Münster. Doctor. El estudiante Philipp Schrinner fabricó los cristales a partir de una fina película de nitruro de silicio. Para este propósito, Utilizó una moderna litografía por haz de electrones y métodos especiales de grabado en el equipo de la planta de nanofabricación de Münster y logró producir cristales de alta calidad directamente sobre el material base de dióxido de silicio.

Al estructurar los cristales, los investigadores variaron no solo el tamaño y la disposición de las cavidades, pero también el ancho de la guía de ondas sobre la que se colocaron las cavidades. Los resultados medidos mostraron que los cristales fotónicos que demostraron una variación especial en el tamaño de los orificios eran los más adecuados para las interfaces.

"Nuestra colaboración, entre físicos teóricos y experimentales, es ideal para la investigación en física, ", dice Doris Reiter." Este tipo de colaboración no siempre es fácil, ya que nuestros respectivos métodos de trabajo son a menudo muy diferentes, razón por la cual estamos encantados de que haya resultado tan bien en el caso de nuestros dos grupos de investigación junior. "" ¿Qué tiene de especial nuestro trabajo, "añade Carsten Schuck, "es que nuestros diseños no requieren ningún paso de procesamiento adicional, porque son compatibles con la tecnología de película delgada establecida para circuitos fotónicos integrados ". Esto no puede darse por sentado en el desarrollo de tecnologías cuánticas complejas, porque aunque los investigadores a menudo logran producir una importante, componente de alta calidad como único, no pueden volver a producir varias copias del mismo componente.

Los siguientes pasos para los investigadores implican intentar posicionar los emisores cuánticos, incrustado en los nanodiamantes, en determinados puntos de los cristales fotónicos, con el objetivo de poner en práctica los resultados del estudio. Para tal fin, El equipo encabezado por Carsten Schuck ya está desarrollando una técnica especial de nanofabricación que puede, por ejemplo, colocar un diamante de solo 100 nanómetros de tamaño con una precisión de menos de 50 nanómetros. El equipo de físicos teóricos dirigido por Doris Reiter quiere extender los estudios a otros sistemas de materiales y geometrías más complejas de cristales fotónicos y, por ejemplo, utilice agujeros elípticos en lugar de redondos.