Grâce à la nanotechnologie moderne, il est aujourd'hui possible de réaliser des structures dont la taille des caractéristiques ne dépasse pas quelques nanomètres. Ce monde des particules les plus infimes - également appelés systèmes quantiques - permet un large éventail d'applications technologiques, dans les champs qui incluent la détection de champ magnétique, traitement d'informations, communication sécurisée ou chronométrage ultra-précis. La production de ces structures microscopiquement petites a tellement progressé qu'elles atteignent des dimensions inférieures à la longueur d'onde de la lumière. De cette façon, il est possible de briser les frontières existantes en optique et d'utiliser les propriétés quantiques de la lumière. En d'autres termes, la nanophotonique représente une nouvelle approche des technologies quantiques.

Lorsque les photons individuels se déplacent dans le régime quantique, les scientifiques décrivent les sources lumineuses pertinentes comme des émetteurs quantiques pouvant être intégrés dans des nanodiamants, entre autres. Ces diamants spéciaux se caractérisent par leur très petite taille de particule, qui peut aller de quelques à plusieurs centaines de nanomètres. Des chercheurs de l'Université de Münster ont réussi pour la première fois à intégrer pleinement les nanodiamants dans des circuits nanophotoniques et en même temps à traiter plusieurs de ces nanodiamants par voie optique. Dans le processus, la lumière laser verte est dirigée sur les centres de couleur des nanodiamants, et les photons rouges individuels qui y sont générés sont émis dans un réseau de composants optiques à l'échelle nanométrique. Par conséquent, les chercheurs peuvent désormais contrôler ces systèmes quantiques dans un état totalement intégré. Les résultats ont été publiés dans la revue Lettres nano .

Contexte et méthodologie

Précédemment, il était nécessaire de mettre en place des microscopes encombrants pour contrôler de tels systèmes quantiques. Avec des technologies de fabrication similaires à celles de fabrication de puces pour processeurs informatiques, la lumière peut être dirigée de manière comparable à l'aide de guides d'ondes (nanofibres) sur une puce de silicium. Ces guides d'ondes optiques, mesurant moins d'un micromètre, ont été produites avec l'équipement de lithographie par faisceau d'électrons et de gravure ionique réactive à l'installation de nanofabrication de Münster (MNF).

"Ici, la taille d'un montage expérimental type a été réduite à quelques centaines de micromètres carrés, " explique le professeur assistant Carsten Schuck de l'Institut de physique de l'Université de Münster, qui a dirigé l'étude en collaboration avec la professeure adjointe Doris Reiter de l'Institute of Solid State Theory. "Cette réduction des effectifs signifie non seulement que nous pouvons économiser de l'espace en vue d'applications futures impliquant des systèmes quantiques en grand nombre, " il ajoute, "mais il nous permet aussi, pour la première fois, pour contrôler plusieurs de ces systèmes quantiques simultanément."

Dans les travaux préliminaires à la présente étude, les scientifiques de Münster ont développé des interfaces appropriées entre les nanodiamants et les circuits nanophotoniques. Ces interfaces ont été utilisées dans les nouvelles expériences, mettre en œuvre le couplage d'émetteurs quantiques avec des guides d'ondes d'une manière particulièrement efficace. Dans leurs expériences, les physiciens ont utilisé le soi-disant effet Purcell, ce qui amène le nanodiamant à émettre les photons individuels avec une probabilité plus élevée dans le guide d'ondes, au lieu de dans une direction aléatoire.

Les chercheurs ont également réussi à faire fonctionner deux capteurs de champ magnétique, basé sur les nanodiamants intégrés, en parallèle sur une puce. Précédemment, cela n'avait été possible qu'individuellement ou successivement. Pour rendre cela possible, les chercheurs ont exposé les nanodiamants intégrés aux micro-ondes, induisant ainsi des changements de l'état quantique (spin) des centres de couleur. L'orientation du spin influence la brillance des nanodiamants, qui a ensuite été lu à l'aide de l'accès optique sur puce. La fréquence du champ micro-onde et donc les variations de luminosité observables dépendent du champ magnétique à l'emplacement du nanodiamant. "La haute sensibilité à un champ magnétique local permet de construire des capteurs avec lesquels des bactéries individuelles et même des atomes individuels peuvent être détectés, " explique Philip Schrinner, auteur principal de l'étude.

Tout d'abord, les chercheurs ont calculé les conceptions d'interface nanophotonique à l'aide de simulations 3D élaborées, déterminant ainsi les géométries optimales. Ils ont ensuite assemblé et fabriqué ces composants dans un circuit nanophotonique. Après l'intégration et la caractérisation des nanodiamants à l'aide d'une technologie adaptée, l'équipe de physiciens a effectué les mesures de mécanique quantique au moyen d'un dispositif adapté à cet effet.

"Travailler avec des systèmes quantiques à base de diamant dans des circuits nanophotoniques permet un nouveau type d'accessibilité, comme nous ne sommes plus limités par les configurations de microscope, " dit Doris Reiter. " En utilisant la méthode que nous avons présentée, il sera possible à l'avenir de surveiller et de lire simultanément un grand nombre de ces systèmes quantiques sur une seule puce, " ajoute-t-elle. Les travaux des chercheurs créent les conditions permettant de mener d'autres études dans le domaine de l'optique quantique, des études dans lesquelles la nanophotonique peut être utilisée pour modifier les propriétés photo-physiques des émetteurs de diamant. sont de nouvelles possibilités d'application dans le domaine des technologies quantiques, qui bénéficieront des propriétés des nanodiamants intégrés - dans le domaine de la détection quantique ou du traitement de l'information quantique, par exemple.

Les prochaines étapes comprendront la mise en œuvre de capteurs quantiques dans le domaine de la magnétométrie, tel qu'utilisé par exemple dans l'analyse des matériaux pour les composants semi-conducteurs ou les scanners cérébraux. "À cette fin", dit Carsten Schuck, « nous voulons intégrer un grand nombre de capteurs sur une seule puce qui peuvent alors tous être lus simultanément, et ainsi non seulement enregistrer le champ magnétique à un endroit, mais aussi visualiser les gradients de champ magnétique dans l'espace."