Optische Emitter in Echtzeit formen und erfassen

Auf der Suche nach neuen Techniken zur Ermöglichung von Quantennetzwerken haben Forscher der Harvard University eine neuartige laserbasierte Strategie zur Erzeugung oberflächennaher Materialdefekte einzelner Atome entwickelt, die zur Bildung von Qubits, den grundlegendsten Einheiten des Quantencomputings, verwendet werden können. Das Team entdeckte außerdem eine Echtzeitmethode zur Messung und Charakterisierung der Bildung optischer Emitter in nanoskaligen Hohlräumen.

Der Fortschritt, über den Evelyn Hu und ihr Team an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Nature Materials berichten, könnte eine bessere Kontrolle über den Zeitpunkt und die Stärke der Qubit-Ausgänge ermöglichen.

„Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ‚defekte‘ Materialien; es fehlt ein Atom oder eine Lücke in einer ansonsten perfekten Kristallstruktur“, sagt Hu, leitender Autor des Artikels und Tarr-Coyne-Professor für Angewandte Physik und Elektrotechnik an der Universität MEERE. „Eine Lücke hat ihre eigenen elektronischen Zustände, sie hat einen bestimmten Spin und sie hat das Potenzial, Photonen einer bestimmten Wellenlänge zu emittieren.“

Diese Defekte und die Wellenlängen des von ihnen emittierten Lichts werden manchmal als Farbzentren bezeichnet, da sie Diamanten und anderen Kristallen wunderschöne Farben verleihen können. Aber innerhalb eines nanoskaligen Hohlraums in einem photonischen Material – der Licht bricht, kontrolliert oder manipuliert – können diese Defekte wie optische Informationsemitter wirken.

„Unser Team ist wirklich an der Entstehung dieser Defekte interessiert und daran, wie sie sich als Qubits in einem Quantennetzwerk verhalten könnten. Die Kopplung einer Reihe von Defekten in nanophotonischen Hohlräumen durch Verschränkung würde die Übertragung von Quanteninformationen ermöglichen“, sagt Aaron Day, einer der ersten Forscher Autor des Papiers. Er und der andere Co-Erstautor der Arbeit, Jonathan Dietz, sind beide Doktoranden in angewandter Physik. Kandidaten in Hus Labor.

Bisher gab es jedoch keine Möglichkeit, die genaue Position optischer Emitter in Hohlräumen im Nanomaßstab vollständig zu kontrollieren, ohne die restliche Kristallstruktur des Materials zu beschädigen.

Typischerweise erfordert der Prozess zur Erzeugung von Emittern in solchen Hohlräumen – die 100-mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares – das Aufbrechen der Kristallstruktur eines Materials mithilfe von Ionen oder Lasern unterhalb der Bandlücke. (Die Bandlücke bezieht sich auf die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, um die Elektronen eines Materials anzuregen, damit sie Strom frei leiten können.) In den meisten Labors sind jedoch keine Geräte für die Ionenimplantation verfügbar. Und Hu sagt, dass es sich bei beiden konventionellen Techniken um eine „brutale“ Nutzung kinetischer Energie handelt, die ineffizient und schwer zu kontrollieren ist – eher wie Sandstrahlen als wie sorgfältiges Bohren.

„Um das zu erreichen, was wir wollten, wussten wir, dass wir einige äußerst präzise Instrumente entwickeln mussten“, sagt Hu.

Das Team vergleicht seine Lösung mit einem Stift und einer Schablone, wobei ein Laser (der Stift, der das Schreiben ausführt) und ein Hohlraum (die Schablone, in die geschrieben wird) verwendet werden, um die Leerstellenformation zu formen und zu charakterisieren. „Wir wollten dies mit Lichtimpulsen oberhalb der Bandlücke erreichen“ – die mehr Photonenenergie enthalten als Laser unterhalb der Bandlücke – „um die Energie effizienter vom Laser-„Stift“ auf die Material-„Vorlage“ zu übertragen“, so Day sagt.

Zunächst stellten Day und Dietz nanophotonische Hohlraumgeräte aus handelsüblichem Siliziumkarbid in einem Reinraum her, ein zeitaufwändiges und mühsames Unterfangen. Dann führten sie Experimente durch, um zu versuchen, optische Emitter genau dort zu erzeugen, wo sie in den Hohlräumen wollten.

„Zuerst haben unsere Laserimpulse unsere Hohlräume gesprengt – sie quasi explodieren lassen“, sagt Day, ein Ergebnis, das alles andere als ideal war. „Wir mussten die Energie des Lasers drastisch reduzieren.“

Durch Versuch und Irrtum ermittelten sie, wie viel Energie und wie viel Energie erforderlich war, um den gewünschten Emitter zu erzeugen und gleichzeitig den Rest des Hohlraums zu erhalten, ohne dass es zu einer „Explosion“ kam. Außerdem bauten sie in ihr System einen zusätzlichen „Auslese“-Laser ein, der es ihnen ermöglichte, die Resonanz oder photonischen Signale auszuwerten, die von einem Hohlraum vor und nach dem Pulsieren durch den defektbildenden Laser abgegeben werden.

„Eines der coolsten Dinge, die wir herausgefunden haben, ist, dass wir den Hohlraum überwachen, einen Laserimpuls ausführen können, um den optischen Emitter zu erzeugen, und dann die unmittelbaren Veränderungen am Hohlraum ablesen können“, sagt Day.

„Das aufregendste Potenzial unserer Arbeit liegt in der Schaffung einer skalierbaren Anzahl von Qubits. Eine Möglichkeit, Emitter in Echtzeit zu erzeugen und zu bewerten, macht es viel einfacher, einen Hohlraum mit den richtigen Eigenschaften auszuwählen und ihn zuverlässig in einen Host für Quanteninformationen zu verwandeln.“ ", sagt Dietz.

Darüber hinaus sagt Hus Team, dass ihr Ansatz für eine Reihe grundlegender Fragen allgemein nützlich sein könnte.

„Wenn wir Defekte in Hohlräumen bilden, können wir diese Hohlräume nutzen, um uns sofort Informationen über die lokale Materialumgebung zu liefern – und sie als ‚Nanoskop‘ nutzen, um die Eigenschaften atomarer Defekte zu untersuchen“, fügt Day hinzu. „Die Kombination dieses neuen Laserstifts mit der Vorlage, Hohlraumresonanzen zu nutzen, um uns Echtzeit-Feedback zu geben, ermöglicht es uns, Geräte nahtlos zu schreiben und zu verbessern. Diese beiden Werkzeuge zusammen sind leistungsfähiger, als es jedes einzelne für sich allein wäre.“

Madison Sutula und Matthew Yeh waren ebenfalls Co-Autoren des Artikels.

Diese Arbeit wurde vom Science and Technology Center for Integrated Quantum Materials (National Science Foundation Grant Nr. DMR-1231319) unterstützt. Einige Arbeiten wurden am Harvard University Center for Nanoscale Systems durchgeführt, das durch den NSF-Preis Nr. unterstützt wird. ECCS-2025158. Diese Arbeit wurde auch durch den NSF RAISE-TAQS Award Nr. unterstützt. 1839164, ein NASA Space Technology Graduate Research Fellowship und das National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program des Verteidigungsministeriums.

Themen:Angewandte Physik, Quantentechnik

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