明斯特大学 用于同时控制纳米金刚石中大量量子机械自旋的纳米光集成
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sch riner/AG Schuck 利用现代纳米技术，现在有可能制造出特征尺寸只有几纳米的结构
这个由最微小粒子组成的世界——也被称为量子系统——使得广泛的技术应用成为可能，这些应用领域包括磁场传感、信息处理、安全通信或超精密计时
这些微小结构的生产已经取得了很大的进展，它们的尺寸小于光的波长
这样，就有可能打破迄今存在的光学界限，利用光的量子特性
换句话说，纳米光子学代表了一种新的量子技术
当单个光子在量子系统中移动时，科学家将相关光源描述为可以嵌入纳米钻石的量子发射器
这些特殊钻石的特点是它们的颗粒非常小，从几纳米到几百纳米不等
明斯特大学的研究人员现在第一次成功地将纳米钻石完全集成到纳米光电路中，同时用光学方法解决了几个纳米钻石的问题
在这个过程中，绿色激光被引导到纳米钻石的颜色中心，在那里产生的单个红色光子被发射到纳米尺度的光学元件网络中
因此，研究人员现在可以以完全集成的状态控制这些量子系统
研究结果已经发表在《纳米快报》杂志上
背景和方法 以前，为了控制这样的量子系统，必须建立庞大的显微镜
利用与生产计算机处理器芯片类似的制造技术，可以用硅片上的波导(纳米纤维)以类似的方式引导光
这些光波导管的尺寸小于1微米，是在MNF明斯特纳米制造厂用电子束光刻和反应离子刻蚀设备生产的
“在这里，一个典型实验装置的尺寸被缩小到几百平方微米，”明斯特大学物理研究所的助理教授卡斯滕·舒克解释说，他与固体理论研究所的助理教授多丽丝·赖特合作领导了这项研究
“这种规模缩小不仅意味着我们可以节省空间，着眼于未来大量涉及量子系统的应用，”他补充道，“而且也使我们第一次能够同时控制几个这样的量子系统
" 在当前研究之前的初步工作中，明斯特的科学家们在纳米钻石和纳米光电路之间开发了合适的界面
这些界面被用于新的实验，以一种特别有效的方式实现了量子发射器与波导的耦合
在他们的实验中，物理学家利用了所谓的珀塞尔效应，这使得纳米金刚石以更高的概率将单个光子发射到波导中，而不是以某种随机的方向发射
研究人员还成功地在一个芯片上并行运行了两个基于集成纳米钻石的磁场传感器
以前，这只能单独或相继实现
为了使这成为可能，研究人员将集成的纳米钻石暴露在微波中，从而引起颜色中心的量子(自旋)状态的变化
自旋的方向影响纳米金刚石的亮度，随后使用片上光学访问读出纳米金刚石的亮度
微波场的频率及其可观察到的亮度变化取决于纳米金刚石位置的磁场
该研究的主要作者菲利普·施里纳解释说:“对局部磁场的高度敏感性使得构建能够检测单个细菌甚至单个原子的传感器成为可能。”
首先，研究人员使用复杂的三维模拟计算了纳米光子界面设计，从而确定了最佳几何形状
然后，他们将这些部件组装成一个纳米光电电路
在纳米金刚石被整合并使用合适的技术进行表征后，物理学家团队通过为此定制的装置进行了量子力学测量
多丽丝·赖特说:“在纳米光子电路中使用基于钻石的量子系统，可以实现一种新的可及性，因为我们不再受显微镜设置的限制。”
“使用我们提出的方法，将来有可能在一个芯片上同时监测和读出大量的这些量子系统，”她补充道
研究人员的工作为在量子光学领域开展进一步的研究创造了条件——在这些研究中，纳米光子晶体可以用来改变金刚石发射器的光物理特性
除此之外，在量子技术领域也有新的应用可能性，这将受益于集成纳米金刚石的特性——例如在量子传感或量子信息处理领域
接下来的步骤将包括在磁测领域实现量子传感器，例如用于半导体元件的材料分析或大脑扫描
“为此，”卡斯滕·舒克说，“我们想在一个芯片上集成大量的传感器，然后这些传感器可以同时被读出，这样不仅可以记录一个地方的磁场，还可以显示空间的磁场梯度。”
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