Controlar los nanodiamantes totalmente integrados
Los físicos integran los sistemas cuánticos basados en diamantes en los circuitos nanofotónicos
Usando la nanotecnología moderna, es posible hoy en día producir estructuras que tienen un tamaño de características de sólo unos pocos nanómetros. Este mundo de las partículas más diminutas - también conocido como sistemas cuánticos - hace posible una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, en campos que incluyen la detección de campos magnéticos, el procesamiento de información, la comunicación segura o el cronometraje ultrapreciso. La producción de estas estructuras microscópicas ha progresado tanto que alcanzan dimensiones por debajo de la longitud de onda de la luz. De esta manera, es posible romper los límites hasta ahora existentes en la óptica y utilizar las propiedades cuánticas de la luz. En otras palabras, la nanofotónica representa un nuevo enfoque de las tecnologías cuánticas.
Integración nanofotónica para controlar simultáneamente un gran número de giros de mecánica cuántica en nanodiamantes.
© P. Schrinner/AG Schuck
A medida que los fotones individuales se mueven en el régimen cuántico, los científicos describen las fuentes de luz pertinentes como emisores cuánticos que pueden incorporarse a los nanodiamantes, entre otros. Estos diamantes especiales se caracterizan por su tamaño de partícula muy pequeño, que puede oscilar entre unos pocos y varios cientos de nanómetros. Los investigadores de la Universidad de Münster han logrado por primera vez integrar plenamente los nanodiamantes en los circuitos nanofotónicos y, al mismo tiempo, abordar ópticamente varios de estos nanodiamantes. En el proceso, la luz láser verde se dirige a los centros de color de los nanodiamantes, y los fotones rojos individuales que se generan allí se emiten en una red de componentes ópticos a escala nanométrica. Como resultado, los investigadores pueden ahora controlar estos sistemas cuánticos en un estado totalmente integrado. Los resultados se han publicado en la revista "Nano Letters".
Antecedentes y metodología
Anteriormente, fue necesario instalar voluminosos microscopios para controlar tales sistemas cuánticos. Con tecnologías de fabricación similares a las de la producción de chips para procesadores informáticos, la luz puede ser dirigida de forma comparable utilizando guías de ondas (nanofibras) en un chip de silicio. Estas guías de onda ópticas, que miden menos de un micrómetro, se produjeron con el equipo de litografía por haz de electrones y de grabado por iones reactivos de la Instalación de Nanofabricación de Münster (MNF). "Aquí, el tamaño de un montaje experimental típico se redujo a unos pocos cientos de micrómetros cuadrados", explica el profesor adjunto Carsten Schuck del Instituto de Física de la Universidad de Münster, que dirigió el estudio en colaboración con la profesora adjunta Doris Reiter del Instituto de Teoría del Estado Sólido. "Esta reducción no sólo significa que podemos ahorrar espacio con vistas a futuras aplicaciones que impliquen sistemas cuánticos en gran número", añade, "sino que también nos permite, por primera vez, controlar varios de esos sistemas cuánticos simultáneamente". En un trabajo preliminar previo al presente estudio, los científicos de Münster desarrollaron interfaces adecuadas entre los nanodiamantes y los circuitos nanofotónicos. Estas interfaces se utilizaron en los nuevos experimentos, implementando el acoplamiento de los emisores cuánticos con las guías de ondas de una manera especialmente efectiva. En sus experimentos, los físicos utilizaron el llamado efecto Purcell, que hace que el nanodiamante emita los fotones individuales con mayor probabilidad en la guía de ondas, en lugar de hacerlo en alguna dirección aleatoria.
Los investigadores también lograron hacer funcionar dos sensores de campo magnético, basados en los nanodiamantes integrados, en paralelo en un chip. Anteriormente, esto sólo había sido posible de forma individual o sucesiva. Para hacerlo posible, los investigadores expusieron los nanodiamantes integrados a microondas, induciendo así cambios en el estado cuántico (spin) de los centros de color. La orientación del spin influye en el brillo de los nanodiamantes, que posteriormente se leyó mediante el acceso óptico en el chip. La frecuencia del campo de microondas y con ella las variaciones de brillo observables dependen del campo magnético en la ubicación del nanodiamante. "La alta sensibilidad a un campo magnético local permite construir sensores con los que se pueden detectar bacterias individuales e incluso átomos individuales", explica Philip Schrinner, autor principal del estudio.
En primer lugar, los investigadores calcularon los diseños de la interfaz nanofotónica mediante elaboradas simulaciones en 3D, determinando así las geometrías óptimas. Luego ensamblaron y fabricaron estos componentes en un circuito nanofotónico. Después de integrar y caracterizar los nanodiamantes mediante una tecnología adaptada, el equipo de físicos llevó a cabo las mediciones de la mecánica cuántica mediante un montaje personalizado para este fin.
"Trabajar con sistemas cuánticos basados en diamantes en circuitos nanofotónicos permite un nuevo tipo de accesibilidad, ya que ya no estamos restringidos por los montajes de los microscopios", dice Doris Reiter. "Usando el método que hemos presentado, será posible en el futuro monitorear y leer simultáneamente un gran número de estos sistemas cuánticos en un solo chip", añade. El trabajo de los investigadores crea las condiciones para que se puedan realizar más estudios en el campo de la óptica cuántica, estudios en los que se puede utilizar la nanofotónica para cambiar las propiedades fotofísicas de los emisores de diamantes. Además, existen nuevas posibilidades de aplicación en el campo de las tecnologías cuánticas, que se beneficiarán de las propiedades de los nanodiamantes integrados, por ejemplo, en el campo de la detección cuántica o el procesamiento de información cuántica.
Los próximos pasos incluirán la implementación de sensores cuánticos en el campo de la magnetometría, como se utiliza por ejemplo en el análisis de materiales para componentes semiconductores o en los escáneres cerebrales. "Con este fin", dice Carsten Schuck, "queremos integrar un gran número de sensores en un chip que puedan ser leídos simultáneamente, y así no sólo registrar el campo magnético en un lugar, sino también visualizar los gradientes de campo magnético en el espacio".
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