Deterministic nanofabrication for engineering nanowire quantum dot devices

In de zoektocht naar het bouwen van een nieuw soort computer die gebruikmaakt van de vreemde regels van de kwantumwereld, vertrouwen wetenschappers op minuscule lichtbronnen. Deze bronnen moeten in staat zijn om enkelvoudige lichtdeeltjes, fotonen genoemd, één voor één uit te zenden met perfecte timing en identieke eigenschappen. Om dit werkend te krijgen, gebruiken onderzoekers vaak halfgeleidende kwantumdots, die in essentie kleine eilandjes van materiaal zijn, zo klein dat ze elektronen vangen en ze dwingen zich op een specifiek bepaalde manier te gedragen. Wanneer deze elektronen naar een lagere energietoestand dalen, laten ze een foton vrij. De uitdaging is altijd geweest hoe je deze fotonen efficiënt kunt opvangen en hun eigenschappen kunt controleren zonder het delicate systeem te verstoren. Stel je voor dat je probeert een vuurvliegje in een potje te vangen zonder het te pletten, terwijl je ook nog eens de kleur van zijn licht op commando kunt veranderen; dit is het niveau van precisie dat vereist is. Jarenlang konden wetenschappers deze kwantumdots op perfecte locaties in een kristal laten groeien, maar ze hadden moeite om de noodzakelijke spiegels en elektrische controles rond hen toe te voegen zonder de delicate structuren omver te stoten of hun vermogen om licht uit te stralen te ruïneren.

Een team van onderzoekers heeft dit probleem nu opgelost door een manier te ontwikkelen om deze minuscule structuren op te pakken en ze precies te verplaatsen naar waar ze moeten zijn, als een microscopische versie van een pick-and-place robot. De wetenschappers begonnen met nanowires, wat dunne, verticale pilaren zijn die op een speciaal oppervlak zijn gegroeid, waarbij elke draad een enkele kwantumdot nabij de basis bevat. Met behulp van een krachtige microscoop uitgerust met een fijne wolfraamnaald, duwden ze de nanowires voorzichtig totdat ze netjes aan de basis afbraken, waardoor ze loskwamen van het groeioppervlak. In plaats van ze te laten vallen, gebruikte het team een gefocuste elektronenbundel om een kleine hoeveelheid glasachtig materiaal af te zetten, waardoor de nanowire effectief aan de naald werd vastgeplakt. Ze verplaatsten de naald vervolgens naar een nieuwe, vooraf gemaakte mal en plakten de nanowire in een rechtopstaande positie vast. Dit proces, dat ze een verticaal-naar-verticaal transfer noemen, stelt hen in staat om de kwantumdot op elk gewenst oppervlak te plaatsen terwijl de nanowire recht blijft staan, een prestatie die met bestaande methoden voorheen onmogelijk was.

Zodra ze de verplaatsing onder de knie hadden, testte het team de techniek door de nanowires op twee verschillende soorten op maat gemaakte podia te plaatsen. In het eerste experiment plaatsten ze de nanowires op een gouden spiegel die bedekt was met een dunne laag glas. Deze opstelling fungeerde als een reflector, die het licht dat anders verloren zou gaan, naar beneden weerkaatste richting de detector. Voordat deze stap werd gezet, kon slechts ongeveer de helft van het licht dat door de kwantumdot werd uitgezonden, worden opgevangen. Na het plaatsen van de nanowire op de spiegel mat het team dat ze nu 75 procent van het licht konden opvangen. Ze observeerden ook dat het licht iets sneller werd uitgezonden, een teken dat de spiegel het proces hielp te versnellen. Cruciaal was dat de kwaliteit van het licht perfect bleef; de fotonen waren nog steeds identiek aan elkaar en arriveerden als enkelvoudige deeltjes, wat bewees dat de delicate kwantumdot de verplaatsing zonder enige schade heeft overleefd.

In het tweede experiment plaatsten de onderzoekers de nanowires tussen vier minuscule metalen elektroden die in een kruisvorm zijn gerangschikt. Door een spanning op deze elektroden aan te leggen, creëerden ze een elektrisch veld rond de kwantumdot. Dit veld stelde hen in staat om de kleur van het licht dat de dot uitzendt, af te stemmen. Ze ontdekten dat ze door de spanning aan te passen, de kleur van het licht met 3,6 gigahertz konden verschuiven. Dit vermogen om de kleur af te stemmen is essentieel voor het verbinden van verschillende kwantumapparaten met elkaar, omdat het twee afzonderlijke kwantumdots in staat stelt om worden aangepast zodat ze exact dezelfde kleur licht uitzenden, een vereiste om met elkaar te kunnen communiceren. Het team bevestigde ook dat zelfs met de elektroden aanwezig, het licht van hoge kwaliteit bleef, met een zeer lage kans op het uitzenden van meer dan één foton tegelijk, wat essentieel is voor veilige kwantumcommunicatie.

Het succes van dit werk ligt in het feit dat het transferproces de prestaties van de kwantumdots niet heeft verslechterd. De onderzoekers maten het licht vóór en na de verplaatsing en vonden dat de scherpte van de kleur en de zuiverheid van de enkelvoudige fotonen ongewijzigd bleven. Ze demonstreerden ook dat de nieuwe apparaten kunnen worden aangestuurd door een specif type laserpuls om verstrengelde fotonenparen te produceren, die op een manier aan elkaar gekoppeld zijn die fundamenteel is voor kwantumnetwerken. Hoewel de huidige apparaten een afstembereik laten zien van 3,6 gigahertz, merken de auteurs op dat het elektrische veld gedeeltelijk geblokkeerd kan worden door de materialen in de nanowire, wat suggereert dat toekomstige ontwerpen een nog breder afstembereik kunnen bereiken. Door te bewijzen dat deze delicate structuren kunnen worden verplaatst en geïntegreerd met complexe circuits zonder hun speciale eigenschappen te verliezen, opent dit onderzoek een duidelijk pad naar het bouwen van schaalbare netwerken van kwantumbronnen van licht, waardoor de droom van een kwantuminternet een stap dichter bij de realiteit komt.