Divers modèles forment des cristaux photoniques qui concentrent la lumière dans une cavité. Crédit :J. Olthaus, P. Schrinner et al./Adv. Technologie quantique.
Les effets quantiques sont véritablement présents dans le monde des nanostructures et permettent une grande variété de nouvelles applications technologiques. Par exemple, un ordinateur quantique pourrait à l'avenir résoudre des problèmes, que les ordinateurs conventionnels ont besoin de beaucoup de temps pour gérer. Dans le monde entier, les chercheurs sont engagés dans des travaux intensifs sur les composants individuels des technologies quantiques - ceux-ci incluent des circuits qui traitent l'information en utilisant des photons uniques au lieu de l'électricité, ainsi que des sources lumineuses produisant de tels quanta individuels de lumière. Le couplage de ces deux composants pour produire des circuits optiques quantiques intégrés sur puces présente un défi particulier.
Des chercheurs de l'Université de Münster (Allemagne) ont maintenant développé une interface qui couple des sources lumineuses pour photons uniques avec des réseaux nanophotoniques. Cette interface est constituée de cristaux dits photoniques, c'est-à-dire des matériaux diélectriques nanostructurés qui peuvent améliorer une certaine plage de longueurs d'onde lorsque la lumière la traverse. De tels cristaux photoniques sont utilisés dans de nombreux domaines de recherche, mais ils n'avaient pas été optimisés auparavant pour ce type d'interface. Les chercheurs ont pris un soin particulier à réaliser cet exploit d'une manière qui permette de répliquer directement les cristaux photoniques en utilisant des processus de nanofabrication établis.
"Nos travaux montrent que ce n'est pas seulement dans des laboratoires hautement spécialisés et des expériences uniques que des technologies quantiques complexes peuvent être produites, " dit le physicien Dr Carsten Schuck, un professeur assistant à l'Université de Münster qui a dirigé l'étude avec le Dr Doris Reiter, également professeur assistant, qui travaille dans le domaine de la théorie de l'état solide. Les résultats pourraient aider à rendre les technologies quantiques évolutives. L'étude a été publiée dans la revue Technologies quantiques avancées .
Contexte et méthode :
Comme les photons uniques obéissent aux lois de la physique quantique, les chercheurs parlent d'émetteurs quantiques par rapport aux sources lumineuses impliquées. Pour leur étude, les chercheurs ont considéré des émetteurs quantiques qui sont noyés dans des nanodiamants et émettent des photons lorsqu'ils sont stimulés au moyen de champs électromagnétiques. Afin de réaliser les interfaces souhaitées, l'objectif des chercheurs était de développer des structures optiques adaptées à la longueur d'onde des émetteurs quantiques.
Les cavités ou les trous dans les cristaux photoniques sont bien adaptés pour piéger la lumière dans des volumes infimes et la faire interagir avec la matière telle que, dans ce cas, nanodiamants. Jan Olthaus, un doctorat étudiant en physique dans le groupe de recherche junior de Doris Reiter, développé des concepts théoriques et des techniques spéciales de simulation assistée par ordinateur afin de calculer les conceptions de ces cristaux photoniques.
Les conceptions théoriquement développées ont été produites par des physiciens du groupe de recherche junior dirigé par Carsten Schuck au Center for NanoTechnology et au Center for Soft Nanoscience de l'Université de Münster. doctorat L'étudiant Philipp Schrinner a fabriqué les cristaux à partir d'un film mince de nitrure de silicium. Dans ce but, il a utilisé la lithographie moderne par faisceau d'électrons et des méthodes de gravure spéciales sur l'équipement de l'installation de nanofabrication de Münster et a réussi à produire des cristaux de haute qualité directement sur le matériau de base du dioxyde de silicium.
En structurant les cristaux, les chercheurs ont fait varier non seulement la taille et la disposition des cavités, mais aussi la largeur du guide d'onde sur lequel les cavités ont été placées. Les résultats mesurés ont montré que les cristaux photoniques qui présentaient une variation particulière de la taille des trous étaient les mieux adaptés aux interfaces.
« Notre collaboration, entre physiciens théoriques et expérimentateurs, est idéale pour la recherche en physique, " dit Doris Reiter. " Ce type de collaboration n'est pas toujours facile, car nos méthodes de travail respectives sont souvent très différentes, c'est pourquoi nous sommes d'autant plus heureux que cela se soit si bien passé dans le cas de nos deux groupes de recherche juniors. " ajoute Carsten Schuck, "est que nos conceptions ne nécessitent aucune étape de traitement supplémentaire, car ils sont compatibles avec la technologie des couches minces établie pour les circuits photoniques intégrés. » Cela ne peut pas être tenu pour acquis dans le développement de technologies quantiques complexes, car bien que les chercheurs réussissent souvent à produire un composant de haute qualité en tant que pièce unique, ils ne sont pas en mesure de produire à nouveau plusieurs copies du même composant.
Les prochaines étapes pour les chercheurs consistent à essayer de positionner les émetteurs quantiques, noyé dans les nanodiamants, à certains endroits sur les cristaux photoniques - dans le but de mettre en pratique les résultats de l'étude. À cette fin, l'équipe dirigée par Carsten Schuck développe déjà une technique de nanofabrication spéciale qui est capable, par exemple, pour placer un diamant de seulement 100 nanomètres avec une précision de moins de 50 nanomètres. L'équipe de physiciens théoriciens dirigée par Doris Reiter souhaite étendre les études à d'autres systèmes de matériaux et à des géométries plus complexes de cristaux photoniques et, par exemple, utilisez des trous elliptiques au lieu de trous ronds.
