Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide

Kwantumtechnologie voelt vaak als een verre toekomst, maar de bouwstenen ervan nemen al vorm aan in de vaste materialen om ons heen. In het hart van dit opkomende veld liggen minuscule imperfecties binnen kristallen, bekend als defecten. Stel je een perfect diamant of een blok siliciumcarbide voor als een uitgestrekte, ordelijke stad van atomen. Af en toe ontbreekt er een atoom, of is er een ander soort atoom op de verkeerde plek terechtgekomen. Deze ontbrekende of verkeerd geplaatste plekken zijn de defecten. Hoewel ze misschien klinken als fouten, zijn ze in de wereld van de kwantumfysica eigenlijk krachtige instrumenten. Deze defecten kunnen elektronen vangen in specifieke toestanden die fungeren als kleine magneten, die informatie voor lange perioden vasthouden. Ze kunnen ook worden gemaakt om te gloeien met licht, en de kleur van dat licht hangt af van het specifieke type defect. Wetenschappers zijn enthousiast om deze gloeiende defecten te gebruiken om kwantumcomputers en sensoren te bouwen, maar er is een aanzienlijke hindernis: het materiaal dat ze bevat, is vaak zo dicht bezet met atomen dat het licht dat ze uitzenden erin gevangen raakt, rondbounced tot het vervaagt. Om deze kwantumapparaten bruikbaar te maken, moeten onderzoekers een manier vinden om dat gevangen licht naar buiten te trekken en precies daarheen te leiden waar het moet zijn.

Een team van onderzoekers heeft nu een oplossing ontwikkeld die direct in het materiaal zelf wordt geïntegreerd, waardoor een compacte optische interface ontstaat die tegelijkertijd licht van twee verschillende soorten kwantumdefecten kan opvangen en sturen. Werkend met siliciumcarbide, een hard, duurzaam kristal dat wordt gebruikt in alles van vermogenselektronica tot kwantumonderzoek, ontwierp het team een gespecialiseerd oppervlak genaamd een metalens. In tegenstelling tot traditionele glazen lenzen die dik en gebogen zijn, is een metalens een plat, microscopisch patroon dat direct op het oppervlak van het materiaal is geëtst. Dit nieuwe apparaat is uniek omdat het monolithisch is, wat betekent dat het is uitgesneden uit hetzelfde blok siliciumcarbide als de defecten die het probeert te vangen, in plaats van een apart stuk dat erop is gelijmd. De onderzoekers hebben dit oppervlak zo ontworpen dat het werkt met twee zeer specifieke kleuren licht: één bij 860 nanometer en een andere bij 1240 nanometer. Deze kleuren komen overeen met de gloed van twee verschillende kwantumdefecten, de siliciumvacature en de stikstofvacature, die veelbelovende kandidaten zijn voor kwantumcommunicatie.

De uitdaging waar het team voor stond, was niet alleen het verzamelen van het licht, maar dit ook te doen terwijl het licht ook wordt gesorteerd op basis van hoe de lichtgolven georiënteerd zijn, een eigenschap die bekend staat als polarisatie. Lichtgolven kunnen in verschillende richtingen trillen, en voor het correct uitlezen van kwantuminformatie moeten deze richtingen worden gecontroleerd. De onderzoekers ontwierpen hun metalens zo dat deze licht dat horizontaal trilt anders behandelt dan licht dat verticaal trilt. Wanneer licht het oppervlak raakt, buigen de minuscule pilaren die het metalenspatroon vormen de golven op specifieke manieren. Voor het 860-nanometer licht stuurt de lens horizontaal trillende golven naar één plek en verticaal trillende golven naar een iets andere plek. Het doet hetzelfde voor het 1240-nanometer licht, maar met een ander patroon van pilaren. Hierdoor kan het apparaat fungeren als een verkeersregelaar, die de verschillende soorten informatie die door het licht worden gedragen scheidt zonder dat er volumineuze externe apparatuur nodig is.

Om hun creatie te testen, simuleerde het team eerst hoe het licht zich zou gedragen met behulp van krachtige computermodellen. Deze simulaties toonden aan dat het ontwerp inder het geval was inderdaad de verschillende polarisaties kon scheiden en het licht effectief kon focussen. Daarna gingen ze over naar het laboratorium om het apparaat te bouwen. Met een proces dat vergelijkbaar is met het printen van een printplaat, maar met veel grotere precisie, gebruikten ze een elektronenstraal om het patroon van minuscule pilaren op het siliciumcarbideblok te tekenen. Vervolgens etsten ze het materiaal weg om een bos van microscopische pilaren achter te laten, die elk ongeveer 1,6 micrometer hoog zijn. Het uiteindelijke apparaat zag eruit als een plat vierkant verdeeld in twee secties, waarvan er één geoptimaliseerd is voor de kortere golflengte en de andere voor de langere. Toen ze het eindproduct onder een microscoop onderzochten, waren de pilaren uniform en glad, wat bevestigde dat het fabricageproces succesvol was in het creëren van de complexe structuren die vereist zijn.

De echte test kwam toen ze de kwantumdefecten in het siliciumcarbide introduceerden. Ze gebruikten een bundel stikstofionen om atomen in het kristal te implanteren, waardoor de vacatures ontstonden die nodig zijn voor de vorming van de defecten. Zodra de defecten op hun plaats waren, schijnen ze een laser op de achterkant van het kristal om de defecten te laten gloeien. Het licht reist door het kristal en raakt de metalens aan de voorkant. Het apparaat slaagde erin het licht op te vangen en het te focussen in duidelijke punten, wat bewees dat het de fotonen uit het dichte kristal kan trekken en in de vrije ruimte kan dirigeren. De onderzoekers maten hoeveel licht er doorheen kwam en ontdekten dat de metalens ongeveer de helft van het beschikbare licht opving. Hoewel dit lager is dan wat een perfecte lens zou bereiken, is het een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het hebben van geen lens, waarbij het meeste licht door de hoge dichtheid in het kristal gevangen zou blijven.

Buiten het simpelweg verzamelen van licht, demonstreerde het team dat het apparaat gebruikt kan worden om de kwantumtoestand van de defecten uit te lezen. Ze plaatsten het monster in een magnetisch veld en maten hoe de lichtintensiteit veranderde terwijl ze het magnetische veld afstemden. Deze techniek, bekend als optisch gedetecteerde magnetische resonantie, stelt wetenschappers in staat om de spin-toestand van de elektronen binnen de defecten te zien. De metalens slaagde erin het signaal van zowel de siliciumvacature als de stikstofvacature defecten op te vangen, waarbij duidelijke pieken in de gegevens werden gemeten die overeenkomen met wat verwacht wordt van deze kwantumsystemen. Het feit dat het apparaat tussen de twee verschillende kleuren licht kon onderscheiden en de polarisatie van elk kon beheren, betekende dat het potentieel meerdere kwantumbits gelijktijdig kan uitlezen. Deze capaciteit is een cruciale stap naar het bouwen van schaalbare kwantumnetwerken, waarbij veel kwantumapparaten met elkaar moeten communiceren via een enkele, compacte interface.

Het werk vestigt de mogelijkheid dat het mogelijk is om complexe, multifunctionele optische instrumenten direct in het materiaal zelf te snijden waarin de kwantumbronnen zich bevinden. Door op twee verschillende golflengten te werken en de polarisatie te beheren, biedt de metalens een manier om de optische systemen die voor kwantumtechnologieën nodig zijn te vereenvoudigen. In plaats van voor elk verschillend type defect aparte lenzen en filters nodig te hebben, kan een enkel, plat oppervlak de taak overnemen. De onderzoekers toonden aan dat deze aanpak niet alleen in theorie of simulatie werkt, maar ook in een echt, gefabriceerd apparaat dat licht kan opvangen en kwantumtoestanden kan uitlezen. Deze integratie van de optische interface met de kwantumbron suggereert een pad voor het creëren van kleinere, efficiëntere kwantumapparaten die uiteindelijk gebruikt kunnen worden in alles van uiterst veilige communicatienetwerken tot zeer gevoelige magnetische sensoren.