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Les chercheurs développent une interface facile à produire entre les émetteurs quantiques et les réseaux nanophotoniques – Technologik

Les effets quantiques sont véritablement présents dans le monde des nanostructures et permettent une grande variété de nouvelles applications technologiques. Par exemple, un ordinateur quantique pourrait à l'avenir résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ont besoin de beaucoup de temps pour être traités. Partout dans le monde, les chercheurs mènent des travaux intensifs sur les composants individuels des technologies quantiques, notamment des circuits qui traitent des informations à l'aide de photons uniques au lieu d'électricité, ainsi que des sources lumineuses produisant de tels quanta de lumière. Le couplage de ces deux composants pour produire des circuits optiques quantiques intégrés sur des puces présente un défi particulier.

Des chercheurs de l'Université de Münster (Allemagne) ont mis au point une interface couplant des sources lumineuses pour photons uniques à des réseaux nanophotoniques. Cette interface est constituée de cristaux dits photoniques, c'est-à-dire de matériaux diélectriques nanostructurés pouvant améliorer une certaine plage de longueurs d'onde lorsque la lumière passe à travers. De tels cristaux photoniques sont utilisés dans de nombreux domaines de recherche, mais ils n'avaient pas encore été optimisés pour ce type d'interface. Les chercheurs ont apporté un soin particulier à la réalisation de cet exploit de manière à permettre la réplication directe des cristaux photoniques en utilisant des procédés de nanofabrication établis.

"Nos travaux montrent que des technologies quantiques complexes peuvent être produites non seulement dans des laboratoires hautement spécialisés et des expériences uniques", explique le physicien Carsten Schuck, professeur assistant à l'université de Münster, qui a dirigé l'étude avec le Dr Doris Reiter. un professeur adjoint qui travaille dans le domaine de la théorie de l'état solide. Les résultats pourraient aider à rendre les technologies quantiques évolutives. L'étude a été publiée dans la revue Technologies quantiques avancées.

Contexte et méthode:

Alors que les photons uniques respectent les lois de la physique quantique, les chercheurs parlent d’émetteurs quantiques en ce qui concerne les sources de lumière impliquées. Pour leur étude, les chercheurs ont examiné les émetteurs quantiques qui sont incorporés dans des nanodiamants et émettent des photons lorsqu’ils sont stimulés au moyen de champs électromagnétiques. Afin de produire les interfaces souhaitées, les chercheurs avaient pour objectif de développer des structures optiques adaptées à la longueur d'onde des émetteurs quantiques.

Les cavités ou les trous dans les cristaux photoniques sont bien adaptés pour capter la lumière dans de très petits volumes et la faire interagir avec la matière telle que, dans ce cas, les nanodiamants. Jan Olthaus, étudiant au doctorat en physique au sein du groupe de recherche junior de Doris Reiter, a développé des concepts théoriques et des techniques spéciales de simulation assistée par ordinateur afin de calculer les plans de ces cristaux photoniques.

Les conceptions théoriquement développées ont été produites par des physiciens du groupe de recherche junior dirigé par Carsten Schuck du Center for NanoTechnology et du Center for Soft Nanoscience de l'Université de Münster. Le doctorant Philipp Schrinner a fabriqué les cristaux à partir d'un mince film de nitrure de silicium. À cette fin, il a utilisé la lithographie par faisceau d'électrons moderne et des méthodes de gravure spéciales sur l'équipement de l'installation de nanofabrication de Münster et a réussi à produire des cristaux de haute qualité directement sur le matériau de base de dioxyde de silicium.

En structurant les cristaux, les chercheurs ont varié non seulement la taille et la disposition des cavités, mais également la largeur du guide d’ondes sur lequel les cavités étaient placées. Les résultats mesurés ont montré que les cristaux photoniques présentant une variation particulière de la taille des trous convenaient mieux aux interfaces.

"Notre collaboration – entre physiciens théoriques et expérimentaux – est idéale pour la recherche en physique", a déclaré Doris Reiter. "Ce type de collaboration n'est pas toujours facile, car nos méthodes de travail respectives sont souvent très différentes. C'est pourquoi nous sommes d'autant plus ravis que cela s'est bien déroulé dans le cas de nos deux groupes de recherche juniors." Carsten Schuck ajoute: "Ce qui est spécial dans notre travail, c'est que nos conceptions ne nécessitent aucune étape de traitement supplémentaire, car elles sont compatibles avec la technologie bien établie des films minces pour circuits photoniques intégrés." Cela ne peut pas être pris pour acquis dans le développement de technologies quantiques complexes car, bien que les chercheurs parviennent souvent à produire un composant important et de haute qualité de manière ponctuelle, ils ne sont plus en mesure de produire plusieurs copies du même composant.

Les prochaines étapes pour les chercheurs consistent à essayer de positionner les émetteurs quantiques, intégrés dans les nanodiamants, à certains endroits sur les cristaux photoniques, dans le but de mettre en pratique les résultats de l’étude. À cette fin, l'équipe dirigée par Carsten Schuck développe déjà une technique spéciale de nanofabrication qui permet, par exemple, de placer un diamant d'une taille de 100 nanomètres avec une précision inférieure à 50 nanomètres. L'équipe de physiciens théoriciens dirigée par Doris Reiter souhaite étendre les études à d'autres systèmes de matériaux et à des géométries plus complexes de cristaux photoniques et, par exemple, utiliser des trous elliptiques au lieu de trous ronds.

Source de l'histoire:

Matériaux fourni par Université de Münster. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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