Deterministic nanofabrication for engineering nanowire quantum dot devices

Auf der Suche nach dem Bau eines neuen Typs von Computer, der die seltsamen Regeln der Quantenwelt nutzt, verlassen sich Wissenschaftler auf winzige Lichtquellen. Diese Quellen müssen in der Lage sein, einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, einzeln mit perfektem Timing und identischen Eigenschaften auszusenden. Um dies zu ermöglichen, verwenden Forscher häufig Halbleiter-Quantenpunkte, die im Grunde winzige Inseln aus Material sind, die so klein sind, dass sie Elektronen einfangen und sie dazu zwingen, sich auf eine bestimmte Weise zu verhalten. Wenn diese Elektronen in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen, setzen sie ein Photon frei. Die Herausforderung bestand bisher immer darin, diese Photonen effizient einzufangen und ihre Eigenschaften zu kontrollieren, ohne das empfindliche System zu stören. Stellen Sie sich vor, man versucht, ein Glühwürmchen in einem Glas zu fangen, ohne es zu zerdrücken, und dabei auch noch in der Lage zu sein, die Farbe seines Lichts auf Kommando zu ändern; dies ist das Maß an Präzision, das erforderlich ist. Jahrelang konnten Wissenschaftler diese Quantenpunkte in perfekten Positionen auf einem Kristall züchten, aber sie hatten Schwierigkeiten, die notwendigen Spiegel und elektrischen Steuerungen um sie herum hinzuzufügen, ohne die empfindlichen Strukturen umzuwerfen oder ihre Fähigkeit zur Lichtemission zu ruinieren.

Ein Team von Forschern hat dieses Problem nun gelöst, indem sie einen Weg entwickelt haben, diese winzigen Strukturen aufzunehmen und sie genau dorthin zu bewegen, wo sie benötigt werden, wie eine mikroskopische Version eines Pick-and-Place-Roboters. Die Wissenschaftler begannen mit Nanodrähten, die dünne, vertikale Säulen sind, die auf einer speziellen Oberfläche gewachsen sind und jeweils einen einzelnen Quantenpunkt nahe ihrer Basis enthalten. Mit einem leistungsstarken Mikroskop, das mit einer feinen Wolframnadel ausgestattet war, drückten sie die Nanodrähte vorsichtig, bis sie an der Basis sauber abbrachen und sich von der Wachstumsoberfläche lösten. Anstatt sie einfach abfallen zu lassen, nutzte das Team einen fokussierten Elektronenstrahl, um eine winzige Menge glasartiges Material abzuscheiden, was den Nanodraht effektiv an die Nadel „verklebte“. Sie bewegten die Nadel dann zu einer neuen, vorgefertigten Vorlage und klebten den Nanodraht in einer aufrechten Position fest. Dieser Prozess, den sie als vertikal-zu-vertikalen Transfer bezeichnen, ermöglicht es ihnen, den Quantenpunkt auf jede Oberfläche ihrer Wahl zu platzieren und dabei den Nanodraht gerade stehen zu lassen – eine Leistung, die mit bestehenden Methoden zuvor unmöglich war.

Nachdem sie den Transfer gemeistert hatten, testete das Team die Technik, indem sie die Nanodrähte auf zwei verschiedene Arten von maßgeschneiderten Plattformen platzierte. In dem ersten Experiment platzierten sie die Nanodrähte auf einem Goldspiegel, der mit einer dünnen Glasschicht beschichtet war. Dieser Aufbau fungierte als Reflektor, der das Licht, das andernfalls verloren gegangen wäre, nach unten zurückwarf und wieder nach oben zum Detektor lenkte. Vor diesem Schritt konnten nur etwa die Hälfte des vom Quantenpunkt emittierten Lichts gesammelt werden. Nach dem Platzieren des Nanodrahts auf dem Spiegel maß das Team, dass sie nun 75 Prozent des Lichts erfassen konnten. Sie beobachteten auch, dass das Licht etwas schneller emittiert wurde, ein Zeichen dafür, dass der Spiegel den Prozess beschleunigte. Entscheidend war, dass die Qualität des Lichts perfekt blieb; die Photonen waren immer noch identisch untereinander und trafen als einzelne Teilchen ein, was bewies, dass der empfindliche Quantenpunkt den Transport ohne jegliche Schädigung überstanden hatte.

In dem zweiten Experiment platzierten die Forscher die Nanodrähte zwischen vier winzigen Metallelektroden, die in einer Kreuzform angeordnet waren. Durch das Anlegen einer Spannung an diese Elektroden erzeugten sie ein elektrisches Feld um den Quantenpunkt. Dieses Feld ermöglichte es ihnen, die Farbe des Lichts, das der Punkt emittiert, zu modulieren. Sie fanden heraus, dass sie durch Anpassung der Spannung die Farbe des Lichts um 3,6 Gigahertz verschieben konnten. Diese Fähigkeit, die Farbe zu tunen, ist für die Verbindung verschiedener Quantengeräte entscheidend, da sie es ermöglicht, zwei separate Quantenpunkte so einzustellen, dass sie exakt dieselbe Farbe ausstrahlen – eine Voraussetzung dafür, dass sie miteinander kommunizieren können. Das Team bestätigte zudem, dass das Licht selbst bei Vorhandensein der Elektroden eine hohe Qualität aufwies, mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, mehr als ein Photon gleichzeitig auszusenden, was für eine sichere Quantenkommunikation unerlässlich ist.

Der Erfolg dieser Arbeit liegt darin, dass der Transferprozess die Leistung der Quantenpunkte nicht beeinträchtigt hat. Die Forscher maßen das Licht vor und nach dem Transfer und stellten fest, dass die Schärfe der Farbe und die Reinheit der Einzelphotonen unverändert blieben. Sie zeigten auch, dass die neuen Bauteile durch einen spezifischen Typ von Laserpuls angetrieben werden können, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, die auf eine Weise miteinander verknüpft sind, die für Quantennetzwerke grundlegend ist. Während die aktuellen Geräte einen Tuning-Bereich von 3,6 Gigahertz aufweisen, merken die Autoren an, dass das elektrische Feld möglicherweise teilweise durch die Materialien im Nanodraht blockiert wird, was darauf hindeutet, dass zukünftige Designs noch größere Tuning-Bereiche erreichen könnten. Indem sie bewiesen haben, dass diese empfindlichen Strukturen bewegt und in komplexe Schaltkreise integriert werden können, ohne ihre besonderen Eigenschaften zu verlieren, ebnet diese Forschung einen klaren Weg zum Aufbau skalierbarer Netzwerke von Quantenlichtquellen und bringt den Traum eines Quanteninternets einen Schritt näher zur Realität.