O alinhamento preciso dos pontos quânticos com os componentes fotônicos é fundamental para extrair a radiação emitida pelos pontos. Nesta ilustração, um ponto quântico centrado no “ponto quente” óptico de uma rede circular (ponto central na inserção) emite mais luz do que um ponto desalinhado (ponto descentralizado na inserção). Crédito: S. Kelley/NIST
A microscopia rastreável poderia melhorar a confiabilidade das tecnologias de informação quântica, imagens biológicas e muito mais.
Dispositivos que capturam a luz brilhante de milhões de pontos quânticos, incluindo lasers em escala de chip e amplificadores ópticos, fizeram a transição de experimentos de laboratório para produtos comerciais. Mas os novos tipos de dispositivos de pontos quânticos demoraram mais para chegar ao mercado porque exigem um alinhamento extraordinariamente preciso entre os pontos individuais e a óptica em miniatura que extrai e guia a radiação emitida.
Avanço no alinhamento de pontos quânticos
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas desenvolveram agora padrões e calibrações para microscópios ópticos que permitem que os pontos quânticos sejam alinhados com o centro de um componente fotônico com um erro de 10 a 20 nanômetros (cerca de um -milésimo da espessura de uma folha de papel). Esse alinhamento é crítico para dispositivos em escala de chip que utilizam a radiação emitida por pontos quânticos para armazenar e transmitir informações quânticas.
Melhorando o desempenho do dispositivo Quantum
Pela primeira vez, os investigadores do NIST alcançaram este nível de precisão em toda a imagem de um microscópio óptico, permitindo-lhes corrigir as posições de muitos pontos quânticos individuais. Um modelo desenvolvido pelos pesquisadores prevê que, se os microscópios forem calibrados usando os novos padrões, o número de dispositivos de alto desempenho poderá aumentar até cem vezes.
Essa nova capacidade poderá permitir que as tecnologias de informação quântica que estão lentamente a emergir dos laboratórios de investigação sejam estudadas de forma mais fiável e desenvolvidas de forma eficiente em produtos comerciais.
Desafios e soluções de calibração
Ao desenvolver seu método, Craig Copeland, Samuel Stavis e seus colaboradores, incluindo colegas do Joint Quantum Institute (JQI), uma parceria de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland, criaram padrões e calibrações rastreáveis ao Sistema Internacional de Unidades. (SI) para microscópios ópticos usados para guiar o alinhamento de pontos quânticos.
“A ideia aparentemente simples de encontrar um ponto quântico e colocar nele um componente fotônico acaba sendo um problema de medição complicado”, disse Copeland.
Resolvendo Erros de Medição Microscópica
Numa medição típica, os erros começam a acumular-se à medida que os investigadores usam um microscópio óptico para encontrar a localização de pontos quânticos individuais, que residem em locais aleatórios na superfície de um material semicondutor. Se os pesquisadores ignorarem o encolhimento dos materiais semicondutores nas temperaturas ultrafrias nas quais os pontos quânticos operam, os erros aumentarão. Para complicar ainda mais, esses erros de medição são agravados por imprecisões no processo de fabricação que os pesquisadores usam para fazer seus padrões de calibração, o que também afeta o posicionamento dos componentes fotônicos.
Inovações metodológicas do NIST
O método NIST, que os pesquisadores descreveram em um artigo publicado online em Óptica Quântica em 18 de março, identifica e corrige tais erros, que antes eram esquecidos.
Ilustração mostrando como a calibração rastreável de um microscópio óptico pode corrigir imperfeições do instrumento que, de outra forma, resultariam no desalinhamento de pontos quânticos com componentes fotônicos. Crédito: S. Kelley/NIST
A equipe do NIST criou dois tipos de padrões rastreáveis para calibrar microscópios ópticos – primeiro em temperatura ambiente para analisar o processo de fabricação e depois em temperaturas criogênicas para medir a localização dos pontos quânticos. Construindo em seus trabalho prévioo padrão de temperatura ambiente consistia em uma série de nanoescala buracos espaçados a uma distância definida em um filme de metal.
Os investigadores mediram então as posições reais dos buracos com um microscópio de força atómica, garantindo que as posições eram rastreáveis até ao SI. Ao comparar as posições aparentes dos furos vistos pelo microscópio óptico com as posições reais, os pesquisadores avaliaram os erros de calibração de ampliação e distorção de imagem do microscópio óptico. O microscópio óptico calibrado poderia então ser usado para medir rapidamente outros padrões fabricados pelos pesquisadores, permitindo uma análise estatística da precisão e variabilidade do processo.
“Boas estatísticas são essenciais para todos os elos de uma cadeia de rastreabilidade”, disse o pesquisador do NIST Adam Pintar, coautor do artigo.
Estendendo seu método a baixas temperaturas, a equipe de pesquisa calibrou um microscópio óptico ultrafrio para gerar imagens de pontos quânticos. Para realizar esta calibração, a equipe criou um novo padrão de microscopia – um conjunto de pilares fabricados em um wafer de silício. Os cientistas trabalharam com o silício porque o encolhimento do material em baixas temperaturas foi medido com precisão.
Superando distorções ópticas em baixas temperaturas
Os pesquisadores descobriram várias armadilhas na calibração da ampliação de microscópios ópticos criogênicos, que tendem a ter pior distorção de imagem do que microscópios que operam em temperatura ambiente. Essas imperfeições ópticas dobram as imagens de linhas retas em curvas retorcidas que a calibração efetivamente endireita. Se não for corrigida, a distorção da imagem causa grandes erros na determinação da posição dos pontos quânticos e no alinhamento dos pontos dentro de alvos, guias de onda ou outros dispositivos de controle de luz.
“Esses erros provavelmente impediram os pesquisadores de fabricar dispositivos com o desempenho previsto”, disse o pesquisador do NIST Marcelo Davanco, coautor do artigo.
Melhoria do dispositivo Quantum Dot e aplicações futuras
Os pesquisadores desenvolveram um modelo detalhado dos erros de medição e fabricação na integração de pontos quânticos com componentes fotônicos em escala de chip. Eles estudaram como esses erros limitam a capacidade dos dispositivos de pontos quânticos de funcionar conforme projetado, descobrindo o potencial para uma melhoria cem vezes maior.
“Um pesquisador pode ficar feliz se um entre cem dispositivos funcionar em seu primeiro experimento, mas um fabricante pode precisar de noventa e nove entre cem dispositivos para funcionar”, observou Stavis. “Nosso trabalho é um avanço nesta transição do laboratório para a fábrica.”
Além dos dispositivos de pontos quânticos, padrões rastreáveis e calibrações em desenvolvimento no NIST podem melhorar a precisão e a confiabilidade em outras aplicações exigentes da microscopia óptica, como imagens de células cerebrais e mapeamento de conexões neurais. Para esses esforços, os pesquisadores também procuram determinar as posições precisas dos objetos em estudo em toda a imagem do microscópio. Além disso, os cientistas podem precisar coordenar os dados de posição de diferentes instrumentos em diferentes temperaturas, como acontece com os dispositivos de pontos quânticos.
Referência: “A localização rastreável permite a integração precisa de emissores quânticos e estruturas fotônicas com alto rendimento” por Daron A. Westly, Ronald G. Dixson, B. Robert Ilic, Marcelo I. Davanco, Samuel M. Stavis, Craig R. Copeland, Ashish Chanana, Kartik Srinivasan e Adam L. Pintar, 24 de abril de 2024, Óptica Quântica.
DOI: doi:10.1364/OPTICAQ.502464
