Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont développé des standards et des étalonnages pour les microscopes optiques qui permettent d'aligner les points quantiques avec le centre d'un composant photonique avec une erreur de 10 à 20 nanomètres (environ un -millième de l'épaisseur d'une feuille de papier).

Un tel alignement est essentiel pour les dispositifs à l'échelle d'une puce qui utilisent le rayonnement émis par les points quantiques pour stocker et transmettre des informations quantiques. L'étude est publiée dans Optica Quantum .

Pour la première fois, les chercheurs du NIST ont atteint ce niveau de précision sur l’ensemble de l’image obtenue avec un microscope optique, leur permettant ainsi de corriger les positions de nombreux points quantiques individuels. Un modèle développé par les chercheurs prédit que si les microscopes sont calibrés selon les nouvelles normes, le nombre d'appareils hautes performances pourrait alors être multiplié par cent.

Cette nouvelle capacité pourrait permettre aux technologies de l'information quantique qui émergent lentement des laboratoires de recherche d'être étudiées de manière plus fiable et efficacement développées en produits commerciaux.

En développant leur méthode, Craig Copeland, Samuel Stavis et leurs collaborateurs, notamment des collègues du Joint Quantum Institute (JQI), un partenariat de recherche entre le NIST et l'Université du Maryland, ont créé des étalons et des étalonnages traçables au Système international d'unités. (SI) pour les microscopes optiques utilisés pour guider l'alignement des points quantiques.

"L'idée apparemment simple de trouver un point quantique et d'y placer un composant photonique s'avère être un problème de mesure délicat", a déclaré Copeland.

Dans une mesure typique, les erreurs commencent à s'accumuler à mesure que les chercheurs utilisent un microscope optique pour trouver l'emplacement de points quantiques individuels, qui résident à des emplacements aléatoires sur la surface d'un matériau semi-conducteur. Si les chercheurs ignorent le retrait des matériaux semi-conducteurs aux températures ultra-froides auxquelles les points quantiques fonctionnent, les erreurs s'agrandissent.

Pour compliquer encore les choses, ces erreurs de mesure sont aggravées par des inexactitudes dans le processus de fabrication que les chercheurs utilisent pour fabriquer leurs étalons d'étalonnage, ce qui affecte également le placement des composants photoniques.

La méthode du NIST, décrite par les chercheurs dans un article publié en ligne dans Optica Quantum le 18 mars, identifie et corrige ces erreurs, qui étaient auparavant négligées.

L'équipe du NIST a créé deux types d'étalons traçables pour calibrer les microscopes optiques :d'abord à température ambiante pour analyser le processus de fabrication, puis à des températures cryogéniques pour mesurer l'emplacement des points quantiques. S'appuyant sur leurs travaux antérieurs, la norme de température ambiante consistait en un ensemble de trous à l'échelle nanométrique espacés d'une distance définie dans un film métallique.

Les chercheurs ont ensuite mesuré les positions réelles des trous avec un microscope à force atomique, garantissant que les positions étaient traçables jusqu'au SI. En comparant les positions apparentes des trous vues par le microscope optique avec les positions réelles, les chercheurs ont évalué les erreurs liées à l'étalonnage du grossissement et à la distorsion de l'image du microscope optique. Le microscope optique calibré pourrait ensuite être utilisé pour mesurer rapidement d'autres normes fabriquées par les chercheurs, permettant ainsi une analyse statistique de la précision et de la variabilité du processus.

"De bonnes statistiques sont essentielles à chaque maillon d'une chaîne de traçabilité", a déclaré Adam Pintar, chercheur au NIST et co-auteur de l'article.

En étendant leur méthode aux basses températures, l’équipe de recherche a calibré un microscope optique ultra-froid pour l’imagerie de points quantiques. Pour effectuer cet étalonnage, l’équipe a créé un nouvel étalon de microscopie :un ensemble de piliers fabriqués sur une plaquette de silicium. Les scientifiques ont travaillé avec du silicium car le retrait du matériau à basse température a été mesuré avec précision.

Les chercheurs ont découvert plusieurs pièges lors de l’étalonnage du grossissement des microscopes optiques cryogéniques, qui ont tendance à présenter une distorsion d’image plus grave que les microscopes fonctionnant à température ambiante. Ces imperfections optiques plient les images de lignes droites en courbes noueuses que l'étalonnage redresse efficacement. Si elle n'est pas corrigée, la distorsion de l'image provoque de grandes erreurs dans la détermination de la position des points quantiques et dans l'alignement des points dans les cibles, les guides d'ondes ou d'autres dispositifs de contrôle de la lumière.

"Ces erreurs ont probablement empêché les chercheurs de fabriquer des appareils qui fonctionnent comme prévu", a déclaré Marcelo Davanco, chercheur au NIST et co-auteur de l'article.

Les chercheurs ont développé un modèle détaillé des erreurs de mesure et de fabrication lors de l’intégration de points quantiques avec des composants photoniques à l’échelle d’une puce. Ils ont étudié comment ces erreurs limitent la capacité des dispositifs à points quantiques à fonctionner comme prévu, trouvant le potentiel d'une amélioration par cent.

"Un chercheur pourrait être heureux si un appareil sur cent fonctionne pour sa première expérience, mais un fabricant pourrait avoir besoin de quatre-vingt-dix-neuf appareils sur cent pour fonctionner", a noté Stavis. "Notre travail constitue un pas en avant dans cette transition du laboratoire à la fabrique."

Au-delà des dispositifs à points quantiques, les normes traçables et les étalonnages en cours de développement au NIST peuvent améliorer la précision et la fiabilité dans d'autres applications exigeantes de la microscopie optique, telles que l'imagerie des cellules cérébrales et la cartographie des connexions neuronales.

Pour ces projets, les chercheurs cherchent également à déterminer les positions précises des objets étudiés sur l’ensemble d’une image microscopique. De plus, les scientifiques devront peut-être coordonner les données de position provenant de différents instruments à différentes températures, comme c'est le cas pour les appareils à points quantiques.