Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han desarrollado estándares y calibraciones para microscopios ópticos que permiten alinear puntos cuánticos con el centro de un componente fotónico con un error de 10 a 20 nanómetros (aproximadamente un (una milésima parte del grosor de una hoja de papel).

Esta alineación es fundamental para los dispositivos a escala de chip que emplean la radiación emitida por puntos cuánticos para almacenar y transmitir información cuántica. El estudio se publica en Optica Quantum .

Por primera vez, los investigadores del NIST lograron este nivel de precisión en toda la imagen de un microscopio óptico, lo que les permitió corregir las posiciones de muchos puntos cuánticos individuales. Un modelo desarrollado por los investigadores predice que si los microscopios se calibran utilizando los nuevos estándares, el número de dispositivos de alto rendimiento podría multiplicarse hasta por cien.

Esa nueva capacidad podría permitir que las tecnologías de información cuántica que están surgiendo lentamente de los laboratorios de investigación se estudien de manera más confiable y se desarrollen de manera eficiente en productos comerciales.

Al desarrollar su método, Craig Copeland, Samuel Stavis y sus colaboradores, incluidos colegas del Joint Quantum Institute (JQI), una asociación de investigación entre el NIST y la Universidad de Maryland, crearon estándares y calibraciones que eran trazables al Sistema Internacional de Unidades. (SI) para microscopios ópticos utilizados para guiar la alineación de puntos cuánticos.

"La idea aparentemente simple de encontrar un punto cuántico y colocarle un componente fotónico resulta ser un problema de medición complicado", dijo Copeland.

En una medición típica, los errores comienzan a acumularse cuando los investigadores utilizan un microscopio óptico para encontrar la ubicación de puntos cuánticos individuales, que residen en ubicaciones aleatorias en la superficie de un material semiconductor. Si los investigadores ignoran la contracción de los materiales semiconductores a las temperaturas ultrafrías a las que operan los puntos cuánticos, los errores aumentan.

Para complicar aún más las cosas, estos errores de medición se ven agravados por imprecisiones en el proceso de fabricación que utilizan los investigadores para crear sus estándares de calibración, lo que también afecta la ubicación de los componentes fotónicos.

El método NIST, que los investigadores describieron en un artículo publicado en línea en Optica Quantum el 18 de marzo, identifica y corrige dichos errores, que anteriormente se pasaban por alto.

El equipo del NIST creó dos tipos de estándares trazables para calibrar microscopios ópticos:primero a temperatura ambiente para analizar el proceso de fabricación y luego a temperaturas criogénicas para medir la ubicación de los puntos cuánticos. Basándose en su trabajo anterior, el estándar de temperatura ambiente consistía en una serie de agujeros a nanoescala espaciados a una distancia determinada en una película metálica.

Luego, los investigadores midieron las posiciones reales de los agujeros con un microscopio de fuerza atómica, asegurándose de que las posiciones fueran rastreables hasta el SI. Al comparar las posiciones aparentes de los agujeros vistas por el microscopio óptico con las posiciones reales, los investigadores evaluaron los errores de la calibración de aumento y la distorsión de la imagen del microscopio óptico. Luego, el microscopio óptico calibrado podría usarse para medir rápidamente otros estándares que fabricaron los investigadores, lo que permitiría un análisis estadístico de la precisión y variabilidad del proceso.

"Las buenas estadísticas son esenciales para cada eslabón de una cadena de trazabilidad", afirmó el investigador del NIST Adam Pintar, coautor del artículo.

Ampliando su método a bajas temperaturas, el equipo de investigación calibró un microscopio óptico ultrafrío para obtener imágenes de puntos cuánticos. Para realizar esta calibración, el equipo creó un nuevo estándar de microscopía:una serie de pilares fabricados en una oblea de silicio. Los científicos trabajaron con silicio porque se midió con precisión la contracción del material a bajas temperaturas.

Los investigadores descubrieron varios errores al calibrar el aumento de los microscopios ópticos criogénicos, que tienden a tener una peor distorsión de imagen que los microscopios que funcionan a temperatura ambiente. Estas imperfecciones ópticas doblan las imágenes de líneas rectas en curvas retorcidas que la calibración endereza efectivamente. Si no se corrige, la distorsión de la imagen causa grandes errores al determinar la posición de los puntos cuánticos y al alinear los puntos dentro de objetivos, guías de ondas u otros dispositivos de control de luz.

"Es probable que estos errores hayan impedido a los investigadores fabricar dispositivos que funcionen según lo previsto", afirmó el investigador del NIST Marcelo Davanco, coautor del artículo.

Los investigadores desarrollaron un modelo detallado de los errores de medición y fabricación al integrar puntos cuánticos con componentes fotónicos a escala de chip. Estudiaron cómo estos errores limitan la capacidad de los dispositivos de puntos cuánticos para funcionar según lo diseñado y descubrieron el potencial de una mejora cien veces mayor.

"Un investigador podría estar contento si uno de cada cien dispositivos funciona en su primer experimento, pero un fabricante podría necesitar noventa y nueve de cada cien dispositivos para funcionar", señaló Stavis. "Nuestro trabajo es un paso adelante en esta transición del laboratorio a la fábrica".

Más allá de los dispositivos de puntos cuánticos, los estándares y calibraciones rastreables que se están desarrollando en el NIST pueden mejorar la precisión y la confiabilidad en otras aplicaciones exigentes de la microscopía óptica, como la obtención de imágenes de células cerebrales y el mapeo de conexiones neuronales.

Para estos esfuerzos, los investigadores también buscan determinar posiciones precisas de los objetos bajo estudio en una imagen microscópica completa. Además, es posible que los científicos necesiten coordinar datos de posición de diferentes instrumentos a diferentes temperaturas, como ocurre con los dispositivos de puntos cuánticos.