p Usando nanotecnologia moderna, hoje em dia, é possível produzir estruturas que possuem tamanhos de recursos de apenas alguns nanômetros. Este mundo de partículas mínimas - também conhecido como sistemas quânticos - torna possível uma ampla gama de aplicações tecnológicas, em campos que incluem detecção de campo magnético, processando informação, comunicação segura ou cronometragem ultra-precisa. A produção dessas estruturas microscopicamente pequenas progrediu tanto que atingem dimensões abaixo do comprimento de onda da luz. Desta maneira, é possível quebrar limites até então existentes em óptica e utilizar as propriedades quânticas da luz. Em outras palavras, nanofotônica representam uma nova abordagem para tecnologias quânticas. p À medida que os fótons individuais se movem no regime quântico, os cientistas descrevem as fontes de luz relevantes como emissores quânticos que podem ser incorporados em nanodiamantes, entre outros. Esses diamantes especiais são caracterizados por seu tamanho de partícula muito pequeno, que pode variar de apenas algumas centenas de nanômetros. Pesquisadores da Universidade de Münster conseguiram, pela primeira vez, integrar totalmente os nanodiamantes em circuitos nanofotônicos e, ao mesmo tempo, abordar opticamente vários desses nanodiamantes. No processo, luz laser verde é direcionada para centros de cores nos nanodiamantes, e os fótons vermelhos individuais gerados são emitidos em uma rede de componentes ópticos em nanoescala. Como resultado, os pesquisadores agora podem controlar esses sistemas quânticos em um estado totalmente integrado. Os resultados foram publicados na revista Nano Letras .

p Antecedentes e metodologia

p Anteriormente, era necessário montar microscópios volumosos para controlar esses sistemas quânticos. Com tecnologias de fabricação semelhantes às de produção de chips para processadores de computador, a luz pode ser direcionada de maneira comparável usando guias de onda (nanofibras) em um chip de silício. Esses guias de onda ópticos, medindo menos de um micrômetro, foram produzidos com litografia por feixe de elétrons e equipamento de corrosão iônica reativa na Münster Nanofabrication Facility (MNF).

p "Aqui, o tamanho de uma configuração experimental típica foi reduzido para algumas centenas de micrômetros quadrados, "explica o professor assistente Carsten Schuck do Instituto de Física da Universidade de Münster, que conduziu o estudo em colaboração com a Professora Assistente Doris Reiter do Institute of Solid State Theory. "Essa redução não significa apenas que podemos economizar espaço com vistas a futuras aplicações envolvendo sistemas quânticos em grande número, " ele adiciona, "mas também nos permite, pela primeira vez, controlar vários desses sistemas quânticos simultaneamente. "

p No trabalho preliminar anterior ao estudo atual, os cientistas de Münster desenvolveram interfaces adequadas entre os nanodiamantes e os circuitos nanofotônicos. Essas interfaces foram usadas nos novos experimentos, implementar o acoplamento de emissores quânticos com guias de onda de uma forma especialmente eficaz. Em seus experimentos, os físicos utilizaram o chamado efeito Purcell, que faz com que o nanodiamante emita os fótons individuais com uma probabilidade maior para o guia de onda, em vez de em alguma direção aleatória.

p Os pesquisadores também conseguiram operar dois sensores de campo magnético, com base nos nanodiamantes integrados, em paralelo em um chip. Anteriormente, isso só foi possível individualmente ou sucessivamente. Para tornar isso possível, os pesquisadores expuseram os nanodiamantes integrados às microondas, induzindo assim mudanças no estado quântico (spin) dos centros de cor. A orientação do spin influencia o brilho dos nanodiamantes, que foi posteriormente lido usando o acesso óptico no chip. A frequência do campo de micro-ondas e, com isso, as variações de brilho observáveis ​​dependem do campo magnético na localização do nanodiamante. "A alta sensibilidade a um campo magnético local torna possível construir sensores com os quais bactérias individuais e até átomos individuais podem ser detectados, "explica Philip Schrinner, autor principal do estudo.

p Em primeiro lugar, os pesquisadores calcularam os designs de interface nanofotônica usando elaboradas simulações 3-D, determinando assim geometrias ótimas. Eles então montaram e fabricaram esses componentes em um circuito nanofotônico. Depois que os nanodiamantes foram integrados e caracterizados usando tecnologia adaptada, a equipe de físicos realizou as medições da mecânica quântica por meio de um set-up customizado para o efeito.

p "Trabalhar com sistemas quânticos baseados em diamante em circuitos nanofotônicos permite um novo tipo de acessibilidade, como não somos mais restritos por configurações de microscópio, "diz Doris Reiter." Usando o método que apresentamos, será possível no futuro monitorar e ler simultaneamente um grande número desses sistemas quânticos em um chip, "acrescenta. O trabalho dos pesquisadores cria as condições para que novos estudos sejam realizados no campo da óptica quântica - estudos em que a nanofotônica pode ser utilizada para alterar as propriedades fotofísicas dos emissores de diamante. Além disso, há são novas possibilidades de aplicação no campo das tecnologias quânticas, que se beneficiará das propriedades dos nanodiamantes integrados - no campo da detecção quântica ou processamento de informações quânticas, por exemplo.

p As próximas etapas incluirão a implementação de sensores quânticos no campo da magnetometria, como usado, por exemplo, na análise de materiais para componentes semicondutores ou varreduras cerebrais. "Para este fim", diga Carsten Schuck, "queremos integrar um grande número de sensores em um chip, que podem ser lidos simultaneamente, e, portanto, não apenas registrar o campo magnético em um lugar, mas também visualizar gradientes de campo magnético no espaço. "