Valoa nanopiireille

Ohuiden molybdeenisulfidikerrosten vikakohdat, jotka syntyvät heliumioneilla pommittamalla, voivat toimia nanovalolähteinä kvanttitekniikoissa. 

Münchenin teknisen yliopiston (TUM) fyysikoiden vetämä kansainvälinen tutkijaryhmä on onnistunut sijoittamaan valonlähteitä atomisesti ohuisiin materiaalikerroksiin vain muutaman nanometrin tarkkuudella.

Uusi menetelmä mahdollistaa monenlaisten sovellusten käyttämisen kvanttitekniikoissa älypuhelimien kvanttiantureista ja transistoreista uusiin tiedonsiirtoteknologioihin.

Nykyiset sirupiirit luottavat elektroniin informaation kantajana. Tulevaisuudessa fotonit, jotka siirtävät informaatiota valon nopeudella, pystyvät hoitamaan tämän tehtävän fotonisissa piireissä. Kvanttivalolähteitä, jotka sitten yhdistetään kvanttivalokuitukaapeleihin ja ilmaisimiin, tarvitaan perusrakennuslohkoina tällaisille uusille siruille.

"Tämä on ensimmäinen ja tärkeä askel kohti optisia kvanttitietokoneita", kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja Julian Klein. "Tämä koska tulevia sovelluksia varten valonlähteet on kytkettävä fotonipiirien kanssa, esimerkiksi aaltojohteisiin, jotta valopohjaiset kvanttilaskelmat olisivat mahdollista."

Kriittinen kohta tässä on valolähteiden tarkka ja tarkasti hallittavissa oleva sijainti. On mahdollista luoda kvanttivalolähteitä tavanomaisiin kolmiulotteisiin materiaaleihin, kuten timanttiin tai piihin, mutta niitä ei voida sijoittaa tarkasti näihin materiaaleihin.

Fyysikot käyttivät lähtöaineenaan kerrosmaista puolijohdetta molekyylidisulfidia (MoS2). Se on vain kolme atomia paksu. Optisesti aktiivisten vikojen aikaansaamiseksi halutuille kvanttivalolähteille, molybdeeni- tai rikkiatomit napautetaan tarkasti pois kerroksesta. Nämä vikakohdat ovat sitten ansoja eksitoneille, elektroni-aukko -pareille, jotka sitten emittoivat halutut fotonit.

Kalifornian San Diegon yliopiston insinöörit ovat puolestaan kehittäneet maailman ohuimman aaltojohteen, joka koostuu kolmesta kerroksesta atomeja.

Työ on todiste konseptista optisten laitteiden pienentämiseksi kokoihin, jotka ovat suuruusluokkaa pienempiä kuin nykyiset laitteet. Se voisi johtaa esimerkiksi tiheämpien ja tehokkaampien fotonisirujen kehittämiseen.

Uudella aaltoputkella on paksuutta noin kuusi angstromia. Se on noin 500 kertaa ohuempi kuin fotonisirulla nykyisin olevat optiset aaltojohteet.

Aaltoputki koostuu volframidisulfidin kerroksesta ja siihen on kuvioitu nanomittaisia reikiä, jolloin muodostuu fotoninen kide.

Erityistä tässä kiteessä on, että se tukee elektroni-aukko -pareja eli eksitoneja huonelämpötilassa. Nämä eksitonit tuottavat vahvan optisen vasteen, jolloin kiteen taitekerroin on noin neljä kertaa suurempi kuin sen pintaa ympäröivä ilma. Toinen erityispiirre on, että aaltojohto kanavoi näkyvää valoa.

Kiteen nanoaukkojen ansiosta valo voi sirota myös kohtisuoraan tasoon nähden, jolloin sitä voidaan havaita ja tutkia. Aukkoryhmän jaksollisuus ja kiteen tuplaus mahdollistaa myös rakenteen resonaattorina toimimisen.

Aiheista aiemmin:

Tehokkaampaa valon ohjausta

Valonlähteitä mikropiireille