Американский NIST совмещает квантовые точки с оптическими компонентами

Такое выравнивание имеет решающее значение для устройств размером с пластину, которые используют излучение, испускаемое квантовыми точками, для хранения и передачи квантовой информации.

Впервые исследователи NIST достигли такого уровня разрешения по всему изображению, полученному с помощью оптического микроскопа, что позволило им корректировать расположение множества отдельных квантовых точек.

Модель, разработанная исследователями, предсказывает, что если микроскопы будут откалиброваны по новым стандартам, количество высокопроизводительных устройств может увеличиться почти в сто раз.

Эта новая возможность может позволить квантовым информационным технологиям, которые медленно появляются в исследовательских лабораториях, более надежно изучаться и эффективно превращаться в коммерческие продукты.

Устройства, улавливающие свет миллионов квантовых точек, в том числе чиповые лазеры и фотонные усилители, перешли от лабораторных экспериментов к коммерческим продуктам.

Но новые типы устройств с квантовыми точками выводятся на рынок медленнее, поскольку они требуют очень точного согласования между отдельными точками и миниатюрной оптикой, которая извлекает и направляет испускаемое излучение.

Разрабатывая свой метод, Крейг Коупленд, Сэмюэл Стэвис и их сотрудники, в том числе коллеги из Объединенного квантового института (JQI), исследовательского партнерства NIST и Университета Мэриленда, создали стандарты и калибровки, которые можно проследить до Международной системы. единиц. (SI) для оптических микроскопов, используемых для выравнивания квантовых точек.

«Казалось бы, простая идея найти квантовую точку и поместить в нее фотонный компонент оказывается сложной проблемой измерения», — сказал Коупленд.

При типичном измерении ошибки начинают накапливаться, когда исследователи используют оптическую микроскопию для определения местоположения отдельных квантовых точек, которые расположены в случайных местах на поверхности полупроводникового материала. Если исследователи игнорируют усадку полупроводниковых материалов при очень низких температурах, при которых работают квантовые точки, ошибки становятся еще больше. Ситуация еще больше усложняется тем, что эти ошибки измерений усугубляются неточностями производственного процесса, который исследователи используют для установления своих калибровочных стандартов, что также влияет на размещение оптических компонентов.

Метод NIST, который исследователи описывают в статье, опубликованной в Интернете в Квантовая оптика 18 марта он выявляет и исправляет такие ошибки, на которые раньше не обращали внимания.

Команда NIST создала два типа отслеживаемых стандартов для калибровки оптических микроскопов: сначала при комнатной температуре для анализа производственного процесса, а затем при криогенных температурах для измерения местоположения квантовых точек. На основе их Предыдущая работаСтандарт комнатной температуры состоит из массива наноотверстий, расположенных на определенном расстоянии в металлической пленке.

Затем исследователи измерили фактическое положение отверстий с помощью атомно-силового микроскопа, гарантируя, что эти положения можно будет проследить до системы СИ. Сравнивая видимые положения отверстий, видимые в оптический микроскоп, с фактическими положениями, исследователи оценили ошибки, возникающие в результате калибровки увеличения и искажения изображения в оптическом микроскопе. Затем калиброванный оптический микроскоп можно использовать для быстрого измерения других параметров, созданных исследователями, что позволяет провести статистический анализ точности и изменчивости процесса.

«Хорошая статистика необходима для каждого звена в цепочке отслеживания», — сказал Адам Пинтар, исследователь Национального института стандартов и технологий (NIST), один из авторов статьи.

Расширив свой метод, включив в него более низкие температуры, исследовательская группа откалибровала ультрахолодный оптический микроскоп для получения изображений квантовых точек. Чтобы выполнить эту калибровку, команда создала новый микроскопический стандарт — набор колонок, изготовленных на кремниевой пластине. Ученые работали с кремнием, потому что была точно измерена усадка материала при низких температурах.

Исследователи обнаружили несколько недостатков в калибровке увеличения криогенных оптических микроскопов, которые искажают изображение сильнее, чем микроскопы, работающие при комнатной температуре.

Эти оптические дефекты превращают изображения прямых линий в узловатые кривые, которые калибровка эффективно выпрямляет. Если не исправить искажение изображения, оно приведет к значительным ошибкам в позиционировании квантовых точек и их выравнивании внутри объективов, волноводов или других устройств управления светом.

«Эти ошибки, вероятно, помешали исследователям создать устройства, которые работали должным образом», — сказал Марсело Даванко, исследователь Национального института стандартов и технологий (NIST) и соавтор статьи.

Исследователи разработали подробную модель ошибок измерения и производства при интеграции квантовых точек с фотонными компонентами в масштабе чипа.

Они изучили, как эти ошибки ограничивают способность устройств с квантовыми точками работать так, как задумано, и обнаружили, что их можно улучшить в сто раз.