Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide

La tecnologia quantistica spesso sembra un futuro lontano, ma i suoi mattoni si stanno già dando forma nei materiali solidi che ci circondano. Al cuore di questo campo emergente ci sono le minuscole imperfezioni all'interno dei cristalli, note come difetti. Immaginate un diamante perfetto o un blocco di carburo di silicio come una vasta e ordinata città di atomi. Occasionalmente, un atomo è mancante, oppure un tipo diverso di atomo si è spostato nel posto sbagliato. Questi spazi mancanti o fuori posto sono i difetti. Sebbene possano sembrare dei difetti, nel mondo della fisica quantistica, sono in realtà potenti strumenti. Questi difetti possono intrappolare gli elettroni in stati specifici che agiscono come piccoli magneti, trattenendo le informazioni per lunghi periodi. Possono anche essere fatti brillare di luce, e il colore di quella luce dipende dal tipo specifico di difetto. Gli scienziati sono ansiosi di usare questi difetti luminosi per costruire computer e sensori quantistici, ma c'è un ostacolo significativo: il materiale che li ospita è spesso così denso di atomi che la luce che emettono rimane intrappolata all'interno, rimbalzando finché non svanisce. Per rendere utili questi dispositivi quantistici, i ricercatori devono trovare un modo per estrarre quella luce intrappolata e guidarla esattamente dove deve andare.

Un team di ricercatori ha ora sviluppato una soluzione che si integra direttamente nel materiale stesso, creando un'interfaccia ottica compatta in grado di catturare e indirizzare la luce da due diversi tipi di difetti quantistici contemporaneamente. Lavorando con il carburo di silicio, un cristallo duro e resistente utilizzato in tutto, dall'elettronica di potenza alla ricerca quantistica, il team ha progettato e costruito una superficie specializzata chiamata metalens. A differenza delle lenti di vetro tradizionali che sono spesse e curve, una metalens è un modello piatto e microscopico inciso direttamente sulla superficie del materiale. Questo nuovo dispositivo è unico perché è monolitico, il che significa che è scolpito dallo stesso blocco di carburo di silicio dei difetti che sta cercando di catturare, piuttosto che essere un pezzo separato incollato sopra. I ricercatori hanno ingegnerizzato questa superficie affinché funzionasse con due colori molto specifici di luce: uno a 860 nanometri e un altro a 1240 nanometri. Questi colori corrispondono al bagliore di due diversi difetti quantistici, la vacanza di silicio e la vacanza di azoto, che sono candidati promettenti per la comunicazione quantistica.

La sfida affrontata dal team non era solo quella di raccogliere la luce, ma di farlo gestendo anche la classificazione della luce in base a come le onde luminose sono orientate, una proprietà nota come polarizzazione. Le onde luminose possono vibrare in direzioni diverse e, affinché l'informazione quantistica sia letta correttamente, queste direzioni devono essere controllate. I ricercatori hanno progettato la loro metalens in modo che trattasse la luce che vibra orizzontalmente in modo diverso dalla luce che vibra verticalmente. Quando la luce colpisce la superficie, i minuscoli pilastri che compongono il modello della metalens piegano le onde in modi specifici. Per la luce a 860 nanometri, la lente dirige le onde che vibrano orizzontalmente in un punto e quelle che vibrano verticalmente in un punto leggermente diverso. Fa lo stesso per la luce a 1240 nanometri, ma con un diverso schema di pilastri. Ciò consente al dispositivo di agire come un controllore del traffico, separando i diversi tipi di informazione trasportati dalla luce senza la necessità di ingombranti apparecchiature esterne.

Per testare la loro creazione, il team ha prima simulato il comportamento della luce utilizzando potenti modelli informatici. Queste simulazioni hanno dimostrato che il design poteva effettivamente separare le diverse polarizzazioni e focalizzare la luce in modo efficace. Sono poi passati al laboratorio per costruire il dispositivo. Utilizzando un processo simile alla stampa di un circuito stampato ma con una precisione molto maggiore, hanno usato un fascio di elettroni per disegnare il modello di minuscoli pilastri sul blocco di carburo di silicio. Hanno poi inciso via il materiale per lasciare dietro di sé una foresta di pilastri microscopici, ognuno alto circa 1,6 micrometri. Il dispositivo finale appariva come un quadrato piatto diviso in due sezioni, una ottimizzata per la lunghezza d'onda più corta e l'altra per quella più lunga. Esaminando il prodotto finito al microscopio, i pilastri erano uniformi e lisci, confermando che il processo di produzione aveva avuto successo nel creare le strutture complesse richieste.

La vera prova arrivò quando hanno introdotto i difetti quantistici nel carburo di silicio. Hanno usato un fascio di ioni di azoto per impiantare atomi nel cristallo, creando le vacanze necessarie affinché si formassero i difetti. Una volta posizionati i difetti, hanno illuminato il retro del cristallo con un laser per farli brillare. La luce ha viaggiato attraverso il cristallo e ha colpito la metalens sul davanti. Il dispositivo ha raccolto con successo la luce e l'ha focalizzata in punti distinti, dimostrando che poteva estrarre i fotoni dal denso cristallo e dirigerli nello spazio libero. I ricercatori hanno misurato quanta luce è passata attraverso il dispositivo e hanno scoperto che la metalens catturava circa la metà della luce disponibile. Sebbene questo sia inferiore a quanto potrebbe ottenere una lente perfetta, rappresenta un miglioramento significativo rispetto al non avere alcuna lente, dove la maggior parte della luce rimarrebbe intrappolata all'interno del cristallo a causa della sua alta densità.

Oltre alla semplice raccolta della luce, il team ha dimostrato che il dispositivo poteva essere utilizzato per leggere lo stato quantistico dei difetti. Hanno posizionato il campione in un campo magnetico e misurato come l'intensità della luce cambiava mentre sintonizzavano il campo magnetico. Questa tecnica, nota come risonanza magnetica otticamente rilevata, permette agli scienziati di vedere lo stato di spin degli elettroni all'interno dei difetti. La metalens ha raccolto con successo il segnale da entrambi i tipi di difetti, la vacanza di silicio e la vacanza di azoto, mostrando picchi chiari nei dati che corrispondevano a quanto atteso da questi sistemi quantistici. Il fatto che il dispositivo potesse distinguere tra i due diversi colori di luce e gestire la polarizzazione di ciascuno significava che poteva potenzialmente leggere più bit quantistici simultaneamente. Questa capacità è un passo cruciale verso la costruzione di reti quantistiche scalabili, dove molti dispositivi quantistici devono comunicare tra loro attraverso un'unica, compatta interfaccia.

Il lavoro stabilisce che è possibile scolpire strumenti ottici complessi e multifunzionali direttamente nel materiale stesso che ospita le sorgenti quantistiche. Operando a due lunghezze d'onda distinte e gestendo la polarizzazione, la metalens offre un modo per semplificare i sistemi ottici necessari per le tecnologie quantistiche. Invece di aver bisogno di lenti e filtri separati per ogni diverso tipo di difetto, una singola superficie piatta può svolgere il compito. I ricercatori hanno dimostrato che questo approccio funziona non solo in teoria o in simulazione, ma in un dispositivo reale e fabbricato che può raccogliere la luce e leggere gli stati quantistici. Questa integrazione dell'interfaccia ottica con la sorgente quantistica suggerisce una strada da seguire per la creazione di dispositivi quantistici più piccoli ed efficienti, che potrebbero essere eventualmente utilizzati in tutto, dalle reti di comunicazione ultra-sicure ai sensori magnetici altamente sensibili.