Gli effetti quantistici si trovano nel mondo delle nanostrutture e consentono un’ampia varietà di nuove applicazioni tecnologiche. Ad esempio, in futuro un computer quantistico potrebbe risolvere problemi, che i computer convenzionali hanno bisogno di molto tempo per gestire. In tutto il mondo, i ricercatori sono impegnati in un intenso lavoro sui singoli componenti delle tecnologie quantistiche, tra cui i circuiti che elaborano le informazioni usando singoli fotoni invece dell’elettricità, nonché fonti di luce che producono tali singoli quanti di luce. L’accoppiamento di questi due componenti per produrre circuiti ottici quantistici integrati su chip presenta una sfida particolare.

I ricercatori dell’Università di Münster (Germania) hanno ora sviluppato un’interfaccia che accoppia le sorgenti luminose per singoli fotoni con reti nanofotoniche. Questa interfaccia è costituita dai cosiddetti cristalli fotonici , ovvero materiali dielettrici nanostrutturati che possono migliorare una certa gamma di lunghezze d’onda quando la luce passa attraverso. Tali cristalli fotonici sono utilizzati in molte aree di ricerca, ma non erano stati precedentemente ottimizzati per questo tipo di interfaccia. I ricercatori hanno prestato particolare attenzione a realizzare questa impresa in un modo che consenta di replicare in modo diretto i cristalli fotonici utilizzando processi di nanofabbricazione consolidati.

Vari disegni formano cristalli fotonici che concentrano la luce in una cavità. Credito: J. Olthaus, P. Schrinner et al./Adv. 
Quantum Technol

Il nostro lavoro mostra che non è solo in laboratori altamente specializzati e in esperimenti unici che possono essere prodotte complesse tecnologie quantistiche“, afferma il fisico Dr. Carsten Schuck, assistente professore all’Università di Münster che ha guidato lo studio insieme al Dr. Doris Reiter, allo stesso modo un assistente professore, che lavora nel campo della teoria dello stato solido. I risultati potrebbero aiutare a rendere scalabili le tecnologie quantistiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Advanced Quantum Technologies .

Contesto e metodo:

Mentre i singoli fotoni obbediscono alle leggi della fisica quantistica, i ricercatori parlano di emettitori quantistici rispetto alle sorgenti luminose coinvolte. Per il loro studio, i ricercatori hanno considerato emettitori quantistici che sono incorporati in nanodiamondi ed emettono fotoni quando sono stimolati mediante campi elettromagnetici. Al fine di produrre le interfacce desiderate, l’obiettivo dei ricercatori era quello di sviluppare strutture ottiche su misura per la lunghezza d’onda degli emettitori quantici.

Le cavità o i buchi nei cristalli fotonici sono adatti per intrappolare la luce in volumi minuscoli e farla interagire con la materia come, in questo caso, in nanoparticelle di diamante. Jan Olthaus, Ph.D. studente di fisica nel gruppo di ricerca junior di Doris Reiter, ha sviluppato concetti teorici e tecniche speciali di simulazione assistita da computer al fine di calcolare i disegni per questi cristalli fotonici.

I progetti sviluppati teoricamente sono stati prodotti da fisici del gruppo di ricerca junior guidato da Carsten Schuck presso il Center for NanoTechnology e il Center for Soft Nanoscience dell’Università di Münster. Ph.D. lo studente Philipp Schrinner ha fabbricato i cristalli da un sottile film di nitruro di silicio. A tale scopo, ha utilizzato la moderna litografia a fascio di elettroni e metodi di incisione speciali sull’apparecchiatura presso la struttura di nanofabbricazione di Münster ed è riuscito a produrre cristalli di alta qualità direttamente sul materiale base di biossido di silicio.

Nella strutturazione dei cristalli, i ricercatori hanno variato non solo le dimensioni e la disposizione delle cavità, ma anche la larghezza della guida d’onda su cui erano posizionate le cavità. I risultati misurati hanno mostrato che i cristalli fotonici, che hanno dimostrato una variazione speciale nelle dimensioni dei fori, erano più adatti alle interfacce.

La nostra collaborazione – tra fisici teorici e sperimentali – è ideale per la ricerca in fisica“, afferma Doris Reiter. “Questo tipo di collaborazione non è sempre facile, poiché i nostri rispettivi metodi di lavoro sono spesso davvero molto diversi, ed è per questo che siamo ancora più contenti che sia andata così bene nel caso dei nostri due gruppi di ricerca junior“. “La particolarità del nostro lavoro“, aggiunge Carsten Schuck, “è che i nostri progetti non richiedono ulteriori fasi di elaborazione, perché sono compatibili con la tecnologia a film sottile consolidata per i circuiti fotonici integrati“. 

La prossima sfida

I prossimi passi per i ricercatori consistono nel cercare di posizionare gli emettitori quantici, incorporati nelle nanoparticelle di diamante, in determinati punti dei cristalli fotonici, con l’obiettivo di mettere in pratica i risultati dello studio. A tal fine, il team guidato da Carsten Schuck sta già sviluppando una speciale tecnica di nanofabbricazione che è in grado, ad esempio, di posizionare un diamante di soli 100 nanometri con una precisione inferiore a 50 nanometri. Il team di fisici teorici guidato da Doris Reiter vuole estendere gli studi ad altri sistemi di materiali e geometrie più complesse di cristalli fotonici e, ad esempio, utilizzare fori ellittici anziché rotondi.

Ulteriori informazioni: Jan Olthaus et al, cavità di cristallo fotonico ottimali per l’accoppiamento di nanoemettitori a circuiti integrati fotonici, Advanced Quantum Technologies (2019). DOI: 10.1002 / qute.201900084

Fonte dall’Università di Münster – phys.org