יישור מדויק של נקודות קוונטיות עם רכיבים פוטוניים הוא קריטי לחילוץ הקרינה הנפלטת מהנקודות. באיור זה, נקודה קוונטית המרוכזת ב"נקודה החמה" האופטית של סורג עגול (נקודה מרכזית בשיבוץ) פולטת יותר אור מאשר נקודה שאינה מיושרת (נקודה מחוץ למרכז בשיבוץ). קרדיט: S. Kelly/NIST
מיקרוסקופיה ניתנת למעקב יכולה לשפר את האמינות של טכנולוגיות מידע קוונטי, הדמיה ביולוגית ועוד.
מכשירים הלוכדים את האור המבריק ממיליוני נקודות קוונטיות, כולל לייזרים בקנה מידה שבב ומגברים אופטיים, עשו את המעבר מניסויי מעבדה למוצרים מסחריים. אבל סוגים חדשים יותר של התקני נקודות קוונטים היו איטיים יותר להגיע לשוק מכיוון שהם דורשים יישור מדויק במיוחד בין נקודות בודדות לבין האופטיקה המיניאטורית המחלצת ומנחה את הקרינה הנפלטת.
פריצת דרך ביישור נקודות קוונטיות
חוקרים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ועמיתיהם פיתחו כעת תקנים וכיולים עבור מיקרוסקופים אופטיים המאפשרים ליישר נקודות קוונטיות עם מרכזו של רכיב פוטוני עד לשגיאה של 10 עד 20 ננומטר (בערך אחד -אלף העובי של גיליון נייר). יישור כזה הוא קריטי עבור מכשירים בקנה מידה שבבים שמשתמשים בקרינה הנפלטת מנקודות קוונטיות כדי לאחסן ולהעביר מידע קוונטי.
שיפור ביצועי מכשיר קוונטים
בפעם הראשונה, חוקרי NIST השיגו רמה זו של דיוק על פני כל התמונה ממיקרוסקופ אופטי, המאפשר להם לתקן את המיקומים של נקודות קוונטיות רבות בודדות. מודל שפותח על ידי החוקרים צופה שאם מיקרוסקופים מכוילים באמצעות התקנים החדשים, מספר המכשירים בעלי הביצועים הגבוהים יכול לגדול פי מאה.
היכולת החדשה הזו יכולה לאפשר לטכנולוגיות מידע קוונטי שצצות לאט ממעבדות המחקר להיחקר בצורה מהימנה יותר ולפתח ביעילות למוצרים מסחריים.
אתגרים ופתרונות כיול
בפיתוח השיטה שלהם, קרייג קופלנד, סמואל סטביס ושותפי הפעולה שלהם, כולל עמיתים מהמכון הקוונטי המשותף (JQI), שותפות מחקר בין NIST ואוניברסיטת מרילנד, יצרו תקנים וכיולים שניתן לעקוב אחר המערכת הבינלאומית של יחידות (SI) עבור מיקרוסקופים אופטיים המשמשים להנחיית היישור של נקודות קוונטיות.
"הרעיון הפשוט לכאורה של מציאת נקודה קוונטית והצבת עליה רכיב פוטוני מתברר כבעיית מדידה מסובכת", אמר קופלנד.
טיפול בשגיאות מדידה מיקרוסקופיות
במדידה טיפוסית, שגיאות מתחילות להצטבר כאשר חוקרים משתמשים במיקרוסקופ אופטי כדי למצוא את מיקומן של נקודות קוונטיות בודדות, השוכנות במקומות אקראיים על פני חומר מוליכים למחצה. אם החוקרים מתעלמים מההתכווצות של חומרים מוליכים למחצה בטמפרטורות האולטרה-קרות שבהן פועלות נקודות קוונטיות, השגיאות גדלות. מה שמסבך עוד יותר, טעויות המדידה הללו מורכבות מאי דיוקים בתהליך הייצור שחוקרים משתמשים בו כדי ליצור את תקני הכיול שלהם, מה שמשפיע גם על מיקום הרכיבים הפוטונים.
החידושים המתודולוגיים של NIST
שיטת NIST, אותה תיארו החוקרים במאמר שפורסם באינטרנט בו Optica Quantum ב-18 במרץ, מזהה ומתקן שגיאות כאלה, שבעבר התעלמו מהן.
איור המראה כיצד כיול בר-עקיבה של מיקרוסקופ אופטי יכול לתקן פגמים במכשיר שאחרת יגרמו לאי-יישור של נקודות קוונטיות עם רכיבים פוטוניים. קרדיט: S. Kelly/NIST
צוות ה-NIST יצר שני סוגים של תקנים ניתנים למעקב כדי לכייל מיקרוסקופים אופטיים – תחילה בטמפרטורת החדר כדי לנתח את תהליך הייצור, ולאחר מכן בטמפרטורות קריוגניות כדי למדוד את מיקומן של נקודות קוונטיות. בהתבסס על עבודתם הקודמת, תקן טמפרטורת החדר כלל מערך של ננומטרי חורים המרוחקים במרחק מוגדר זה מזה בסרט מתכת.
לאחר מכן מדדו החוקרים את המיקומים האמיתיים של החורים עם מיקרוסקופ כוח אטומי, והבטיחו שניתן לעקוב אחר המיקומים ל-SI. על ידי השוואת המיקומים הנראים של החורים כפי שנצפו על ידי המיקרוסקופ האופטי עם המיקומים בפועל, החוקרים העריכו שגיאות מכיול הגדלה ועיוות תמונה של המיקרוסקופ האופטי. לאחר מכן ניתן היה להשתמש במיקרוסקופ האופטי המכויל למדידה מהירה של סטנדרטים אחרים שהחוקרים יצרו, מה שמאפשר ניתוח סטטיסטי של הדיוק והשונות של התהליך.
"סטטיסטיקה טובה חיונית לכל חוליה בשרשרת מעקב", אמר חוקר NIST אדם פינטאר, מחבר שותף של המאמר.
תוך הרחבת השיטה שלהם לטמפרטורות נמוכות, צוות המחקר כייל מיקרוסקופ אופטי קר במיוחד להדמיית נקודות קוונטיות. כדי לבצע כיול זה, הצוות יצר תקן מיקרוסקופיה חדש – מערך של עמודים שיוצרו על פרוסת סיליקון. המדענים עבדו עם סיליקון מכיוון שההתכווצות של החומר בטמפרטורות נמוכות נמדדה במדויק.
התגברות על עיוותים אופטיים בטמפרטורות נמוכות
החוקרים גילו כמה מלכודות בכיול ההגדלה של מיקרוסקופים אופטיים קריוגניים, אשר נוטים להיות בעלי עיוות תמונה גרוע יותר מאשר מיקרוסקופים הפועלים בטמפרטורת החדר. פגמים אופטיים אלה מכופפים את התמונות של קווים ישרים לעיקולים מסוקסים שהכיול מיישר ביעילות. אם לא מתוקן, עיוות התמונה גורם לשגיאות גדולות בקביעת מיקומן של נקודות קוונטיות וביישור הנקודות בתוך מטרות, מובילי גל או מכשירים אחרים לבקרת אור.
"שגיאות אלה מנעו ככל הנראה מחוקרים לייצר מכשירים שפועלים כפי שצפוי", אמר חוקר NIST מרסלו דבנקו, מחבר שותף של המאמר.
שיפור מכשירי Quantum Dot ויישומים עתידיים
החוקרים פיתחו מודל מפורט של שגיאות המדידה והייצור בשילוב נקודות קוונטיות עם רכיבים פוטוניים בקנה מידה שבב. הם חקרו כיצד שגיאות אלו מגבילות את יכולתם של התקני נקודות קוונטיות לפעול כפי שתוכנן, ומצאו את הפוטנציאל לשיפור של פי מאה.
"חוקר עשוי להיות שמח אם אחד מכל מאה מכשירים יעבוד עבור הניסוי הראשון שלהם, אבל יצרן עשוי להזדקק לתשעים ותשעה מתוך מאה מכשירים כדי לעבוד", ציין Stavis. "העבודה שלנו היא קפיצת מדרגה במעבר הזה ממעבדה למעבדה."
מעבר למכשירי נקודות קוונטיות, תקנים וכיולים ניתנים למעקב בפיתוח ב-NIST עשויים לשפר את הדיוק והאמינות ביישומים תובעניים אחרים של מיקרוסקופיה אופטית, כגון הדמיה של תאי מוח ומיפוי קשרים עצביים. עבור מאמצים אלה, החוקרים מבקשים גם לקבוע מיקומים מדויקים של האובייקטים הנחקרים על פני תמונת מיקרוסקופ שלמה. בנוסף, ייתכן שמדענים יצטרכו לתאם נתוני מיקום ממכשירים שונים בטמפרטורות שונות, כפי שנכון למכשירי נקודות קוונטיות.
