控制完全集成的纳米金刚石

使用现代纳米技术，现在可以生产特征尺寸仅为几纳米的结构。这个由最微小粒子组成的世界(也称为量子系统)使广泛的技术应用成为可能，包括磁场传感、信息处理、安全通信或超精密计时等领域。到目前为止，这些微观结构的生产已经取得了进展，它们达到了低于光波长的尺寸。通过这种方式，可以打破迄今为止光学中存在的界限，并利用光的量子特性。换句话说，纳米光子学代表了一种新的量子技术方法。

随着单个光子在量子机制中移动，科学家将相关光源描述为可以嵌入纳米金刚石等中的量子发射器。这些特殊钻石的特点是粒径非常小，范围从几纳米到几百纳米不等。明斯特大学的研究人员现在首次成功地将纳米金刚石完全集成到纳米光子电路中，同时以光学方式处理了其中的几种纳米金刚石。在这个过程中，绿色激光被引导到纳米金刚石的色心上，在那里产生的单个红色光子被发射到纳米级光学元件网络中。因此，研究人员现在可以在完全集成的状态下控制这些量子系统。结果已经发表在期刊上纳米字母。

背景和方法

以前，为了控制这样的量子系统，有必要设置笨重的显微镜。使用类似于为计算机处理器生产芯片的制造技术，可以使用硅芯片上的波导(纳米纤维)以类似的方式引导光。这些小于一微米的光波导是在明斯特纳米制造设施 (MNF) 上使用电子束光刻和反应离子蚀刻设备生产的。

“在这里，典型实验装置的尺寸缩小到几百平方微米，”明斯特大学物理研究所的助理教授 Carsten Schuck 解释说，他与助理教授 Doris Reiter 合作领导了这项研究。固态理论研究所。“这种缩小规模不仅意味着我们可以节省空间，以便未来涉及大量量子系统的应用，”他补充道，“而且还使我们第一次能够同时控制多个这样的量子系统。”

在当前研究之前的初步工作中，明斯特科学家开发了纳米金刚石和纳米光子电路之间的合适接口。这些接口用于新实验，以特别有效的方式实现量子发射器与波导的耦合。在他们的实验中，物理学家利用了所谓的珀塞尔效应，这会导致纳米金刚石以更高的概率将单个光子发射到波导中，而不是在某个随机方向上。

研究人员还成功地在一个芯片上并行运行了两个基于集成纳米金刚石的磁场传感器。以前，这只能单独或连续进行。为了实现这一点，研究人员将集成的纳米金刚石暴露在微波中，从而引起色心量子(自旋)状态的变化。自旋的方向影响纳米金刚石的亮度，随后使用片上光学通路读出。微波场的频率以及可观察到的亮度变化取决于纳米金刚石所在位置的磁场。“高灵敏度 该研究的主要作者菲利普·施林纳解释说，局部磁场使得构建传感器成为可能，通过这些传感器可以检测单个细菌甚至单个原子。

首先，研究人员使用精细的 3-D 模拟计算了纳米光子接口设计，从而确定了最佳几何形状。然后，他们将这些组件组装并制造成纳米光子电路。在使用适应技术对纳米金刚石进行集成和表征后，物理学家团队通过为此目的定制的设置进行了量子力学测量。

“在纳米光子电路中使用基于金刚石的量子系统可以实现一种新的可访问性，因为我们不再受显微镜设置的限制，”Doris Reiter 说。“使用我们提出的方法，将来有可能在一个芯片上同时监控和读取大量这些量子系统，”她补充道。研究人员的工作为在量子光学领域进行进一步研究创造了条件——在这些研究中，纳米光子学可用于改变金刚石发射器的光物理特性。除此之外，在量子技术领域还有新的应用可能性，这将受益于集成纳米金刚石的特性——例如在量子传感或量子信息处理领域。

下一步将包括在磁力测量领域实施量子传感器，例如用于半导体组件的材料分析或脑部扫描。“为此，”Carsten Schuck 说，“我们希望在一个芯片上集成大量传感器，然后可以同时读取所有传感器，从而不仅可以在一个地方记录磁场，而且可以可视化磁场梯度在太空。”

使用现代纳米技术，现在可以生产特征尺寸仅为几纳米的结构。这个由最微小粒子组成的世界(也称为量子系统)使广泛的技术应用成为可能，包括磁场传感、信息处理、安全通信或超精密计时等领域。到目前为止，这些微观结构的生产已经取得了进展，它们达到了低于光波长的尺寸。通过这种方式，可以打破迄今为止光学中存在的界限，并利用光的量子特性。换句话说，纳米光子学代表了一种新的量子技术方法。

随着单个光子在量子机制中移动，科学家将相关光源描述为可以嵌入纳米金刚石等中的量子发射器。这些特殊钻石的特点是粒径非常小，范围从几纳米到几百纳米不等。明斯特大学的研究人员现在首次成功地将纳米金刚石完全集成到纳米光子电路中，同时以光学方式处理了其中的几种纳米金刚石。在这个过程中，绿色激光被引导到纳米金刚石的色心上，在那里产生的单个红色光子被发射到纳米级光学元件网络中。因此，研究人员现在可以在完全集成的状态下控制这些量子系统。结果已经发表在期刊上纳米字母。

背景和方法

以前，为了控制这样的量子系统，有必要设置笨重的显微镜。使用类似于为计算机处理器生产芯片的制造技术，可以使用硅芯片上的波导(纳米纤维)以类似的方式引导光。这些小于一微米的光波导是在明斯特纳米制造设施 (MNF) 上使用电子束光刻和反应离子蚀刻设备生产的。

“在这里，典型实验装置的尺寸缩小到几百平方微米，”明斯特大学物理研究所的助理教授 Carsten Schuck 解释说，他与助理教授 Doris Reiter 合作领导了这项研究。固态理论研究所。“这种缩小规模不仅意味着我们可以节省空间，以便未来涉及大量量子系统的应用，”他补充道，“而且还使我们第一次能够同时控制多个这样的量子系统。”

在当前研究之前的初步工作中，明斯特科学家开发了纳米金刚石和纳米光子电路之间的合适接口。这些接口用于新实验，以特别有效的方式实现量子发射器与波导的耦合。在他们的实验中，物理学家利用了所谓的珀塞尔效应，这会导致纳米金刚石以更高的概率将单个光子发射到波导中，而不是在某个随机方向上。

研究人员还成功地在一个芯片上并行运行了两个基于集成纳米金刚石的磁场传感器。以前，这只能单独或连续进行。为了实现这一点，研究人员将集成的纳米金刚石暴露在微波中，从而引起色心量子(自旋)状态的变化。自旋的方向影响纳米金刚石的亮度，随后使用片上光学通路读出。微波场的频率以及可观察到的亮度变化取决于纳米金刚石所在位置的磁场。“高灵敏度 该研究的主要作者菲利普·施林纳解释说，局部磁场使得构建传感器成为可能，通过这些传感器可以检测单个细菌甚至单个原子。

首先，研究人员使用精细的 3-D 模拟计算了纳米光子接口设计，从而确定了最佳几何形状。然后，他们将这些组件组装并制造成纳米光子电路。在使用适应技术对纳米金刚石进行集成和表征后，物理学家团队通过为此目的定制的设置进行了量子力学测量。

“在纳米光子电路中使用基于金刚石的量子系统可以实现一种新的可访问性，因为我们不再受显微镜设置的限制，”Doris Reiter 说。“使用我们提出的方法，将来有可能在一个芯片上同时监控和读取大量这些量子系统，”她补充道。研究人员的工作为在量子光学领域进行进一步研究创造了条件——在这些研究中，纳米光子学可用于改变金刚石发射器的光物理特性。除此之外，在量子技术领域还有新的应用可能性，这将受益于集成纳米金刚石的特性——例如在量子传感或量子信息处理领域。

下一步将包括在磁力测量领域实施量子传感器，例如用于半导体组件的材料分析或脑部扫描。“为此，”Carsten Schuck 说，“我们希望在一个芯片上集成大量传感器，然后可以同时读取所有传感器，从而不仅可以在一个地方记录磁场，而且可以可视化磁场梯度在太空。”

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！