Usando nanotecnología moderna, Hoy en día es posible producir estructuras que tienen un tamaño de característica de unos pocos nanómetros. Este mundo de las partículas más diminutas, también conocido como sistemas cuánticos, hace posible una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, en campos que incluyen detección de campo magnético, procesamiento de información, comunicación segura o cronometraje ultrapreciso. La producción de estas estructuras microscópicamente pequeñas ha progresado tanto que alcanzan dimensiones por debajo de la longitud de onda de la luz. De este modo, es posible romper los límites existentes hasta ahora en óptica y utilizar las propiedades cuánticas de la luz. En otras palabras, La nanofotónica representa un enfoque novedoso de las tecnologías cuánticas.

A medida que los fotones individuales se mueven en el régimen cuántico, los científicos describen las fuentes de luz relevantes como emisores cuánticos que se pueden incrustar en nanodiamantes, entre otros. Estos diamantes especiales se caracterizan por su tamaño de partícula muy pequeño, que puede variar desde unos pocos hasta varios cientos de nanómetros. Investigadores de la Universidad de Münster han logrado por primera vez integrar completamente los nanodiamantes en circuitos nanofotónicos y, al mismo tiempo, abordar varios de estos nanodiamantes de forma óptica. En el proceso, la luz láser verde se dirige a los centros de color en los nanodiamantes, y los fotones rojos individuales generados allí se emiten a una red de componentes ópticos a nanoescala. Como resultado, los investigadores ahora pueden controlar estos sistemas cuánticos en un estado completamente integrado. Los resultados se han publicado en la revista Nano letras .

Antecedentes y metodología

Previamente, era necesario instalar microscopios voluminosos para controlar tales sistemas cuánticos. Con tecnologías de fabricación similares a las que se utilizan para producir chips para procesadores informáticos, la luz se puede dirigir de una manera comparable utilizando guías de ondas (nanofibras) en un chip de silicio. Estas guías de ondas ópticas, midiendo menos de un micrómetro, se produjeron con la litografía por haz de electrones y el equipo de grabado de iones reactivos en la planta de nanofabricación de Münster (MNF).

"Aquí, el tamaño de una configuración experimental típica se redujo a unos pocos cientos de micrómetros cuadrados, "explica el profesor asistente Carsten Schuck del Instituto de Física de la Universidad de Münster, quien dirigió el estudio en colaboración con la profesora asistente Doris Reiter del Instituto de Teoría del Estado Sólido. "Esta reducción no solo significa que podemos ahorrar espacio con miras a futuras aplicaciones que involucren sistemas cuánticos en grandes cantidades," " él añade, "pero también nos permite, por primera vez, para controlar varios de estos sistemas cuánticos simultáneamente ".

En un trabajo preliminar previo al estudio actual, Los científicos de Münster desarrollaron interfaces adecuadas entre los circuitos nanodiamantes y nanofotónicos. Estas interfaces se utilizaron en los nuevos experimentos, implementando el acoplamiento de emisores cuánticos con guías de ondas de una manera especialmente efectiva. En sus experimentos, los físicos utilizaron el llamado efecto Purcell, lo que hace que el nanodiamante emita los fotones individuales con una mayor probabilidad en la guía de ondas, en lugar de en alguna dirección aleatoria.

Los investigadores también lograron ejecutar dos sensores de campo magnético, basado en los nanodiamantes integrados, en paralelo en un chip. Previamente, esto sólo había sido posible de forma individual o sucesiva. Para hacer esto posible, los investigadores expusieron los nanodiamantes integrados a microondas, induciendo así cambios del estado cuántico (espín) de los centros de color. La orientación del giro influye en el brillo de los nanodiamantes, que posteriormente se leyó utilizando el acceso óptico en chip. La frecuencia del campo de microondas y con ello las variaciones de brillo observables dependen del campo magnético en la ubicación del nanodiamante. "La alta sensibilidad a un campo magnético local permite construir sensores con los que se pueden detectar bacterias individuales e incluso átomos individuales, "explica Philip Schrinner, autor principal del estudio.

En primer lugar, los investigadores calcularon los diseños de la interfaz nanofotónica utilizando elaboradas simulaciones en 3-D, determinando así geometrías óptimas. Luego ensamblaron y fabricaron estos componentes en un circuito nanofotónico. Después de que los nanodiamantes se integraron y caracterizaron utilizando tecnología adaptada, el equipo de físicos llevó a cabo las mediciones de la mecánica cuántica mediante una configuración personalizada para tal fin.

"Trabajar con sistemas cuánticos basados ​​en diamantes en circuitos nanofotónicos permite un nuevo tipo de accesibilidad, ya que ya no estamos restringidos por configuraciones de microscopio, ", dice Doris Reiter." Utilizando el método que hemos presentado, será posible en el futuro monitorear y leer simultáneamente una gran cantidad de estos sistemas cuánticos en un chip, ", agrega. El trabajo de los investigadores crea las condiciones para permitir que se lleven a cabo más estudios en el campo de la óptica cuántica, estudios en los que la nanofotónica se puede utilizar para cambiar las propiedades fotofísicas de los emisores de diamantes. son nuevas posibilidades de aplicación en el campo de las tecnologías cuánticas, que se beneficiarán de las propiedades de los nanodiamantes integrados, en el campo de la detección cuántica o el procesamiento de información cuántica, por ejemplo.

Los próximos pasos incluirán la implementación de sensores cuánticos en el campo de la magnetometría, como se utiliza, por ejemplo, en el análisis de materiales para componentes semiconductores o escáneres cerebrales. "Para tal fin", dice Carsten Schuck, "Queremos integrar una gran cantidad de sensores en un chip que luego puedan leerse todos simultáneamente, y, por lo tanto, no solo registra el campo magnético en un lugar, pero también visualiza gradientes de campo magnético en el espacio ".