可捕捉数百万量子点发出的亮光的设备已从实验室过渡到商业产品

量子点与光子元件的精确对准对于提取量子点发出的辐射至关重要。在这幅插图中，位于圆形光栅光学"热点"中心的量子点（插图中的中心点）比未对准的量子点（插图中的偏心点）发出的光更多。资料来源：S. Kelley/NIST

量子点排列的突破

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其同事现已开发出光学显微镜的标准和校准方法，可将量子点与光子元件的中心对准，误差不超过 10 至 20 纳米（约为一张纸厚度的千分之一）。这种对准对于利用量子点发出的辐射来存储和传输量子信息的芯片级设备至关重要。

提高量子设备性能

NIST 的研究人员首次在光学显微镜的整个图像上实现了这种精确度，从而能够校正许多单个量子点的位置。研究人员开发的模型预测，如果使用新标准校准显微镜，那么高性能设备的数量可能会增加百倍之多。

这种新的能力可以使研究实验室正在缓慢出现的量子信息技术得到更可靠的研究，并更有效地开发成商业产品。

校准挑战与解决方案

在开发方法的过程中，克雷格-科普兰、塞缪尔-斯塔维斯和他们的合作者，包括来自联合量子研究所（JQI）（NIST 和马里兰大学的研究合作机构）的同事，为用于指导量子点对准的光学显微镜创建了可追溯到国际单位制（SI）的标准和校准。

科普兰说："寻找一个量子点并在其上放置一个光子元件，这个看似简单的想法却变成了一个棘手的测量问题。"

解决微观测量误差问题

在典型的测量过程中，当研究人员使用光学显微镜寻找单个量子点的位置时，误差就会开始累积，这些量子点位于半导体材料表面的随机位置。如果研究人员忽略量子点在超低温下工作时半导体材料的收缩，误差就会越来越大。使问题更加复杂的是，研究人员在制作校准标准时使用的制造工艺存在误差，这也会影响光子元件的位置，从而加剧这些测量误差。

NIST 的方法创新

研究人员在 3 月 18 日在线发表于《量子光学》（Optica Quantum）上的一篇文章中介绍了 NIST 方法，该方法可以识别并纠正以前被忽视的此类错误。

插图展示了光学显微镜的可追溯校准如何纠正仪器缺陷，否则会导致量子点与光子元件不对准。资料来源：S. Kelley/NIST

NIST 团队创建了两种类型的可追溯标准来校准光学显微镜--首先在室温下分析制造过程，然后在低温下测量量子点的位置。在先前工作的基础上，室温标准由金属膜上按一定间距排列的纳米级孔阵列组成。

然后，研究人员用原子力显微镜测量了孔的实际位置，确保这些位置可追溯到 SI。通过比较光学显微镜观察到的孔的表面位置和实际位置，研究人员评估了光学显微镜的放大率校准和图像失真的误差。校准后的光学显微镜可用于快速测量研究人员制造的其他标准，从而对该过程的准确性和可变性进行统计分析。

文章的合著者之一、NIST 研究员 Adam Pintar 说："良好的统计数据对溯源链中的每个环节都至关重要。"

研究小组将其方法扩展到低温领域，校准了用于量子点成像的超冷光学显微镜。为了进行校准，研究小组创建了一种新的显微镜标准--在硅晶片上制作的柱阵列。科学家们之所以使用硅，是因为这种材料在低温下的收缩率已经得到了精确测量。

克服低温下的光学失真

研究人员在校准低温光学显微镜放大倍率时发现了几个隐患，低温光学显微镜的图像失真往往比在室温下工作的显微镜更严重。这些光学缺陷会使直线图像弯曲成虬曲的曲线，而校准可以有效地将其拉直。如果不进行校正，图像失真会导致在确定量子点的位置以及在目标、波导或其他光控设备内对准量子点时出现较大误差。

文章的合著者、NIST 研究员马塞洛-达万科（Marcelo Davanco）说："这些错误很可能导致研究人员无法制造出性能符合预期的设备。"

量子点器件的改进与未来应用

研究人员就量子点与芯片级光子元件集成过程中的测量和制造误差建立了一个详细的模型。他们研究了这些误差是如何限制量子点器件发挥设计性能的，发现其性能有可能提高百倍。

Stavis指出："研究人员可能会很高兴，因为在他们的第一次实验中，一百个设备中有一个能正常工作，但制造商可能需要一百个设备中有九十九个能正常工作。我们的工作是实验室向制造厂过渡过程中的一次飞跃。"

除了量子点设备之外，NIST正在开发的可追溯标准和校准技术还可以提高光学显微镜其他高要求应用的准确性和可靠性，例如脑细胞成像和神经连接绘图。在这些工作中，研究人员还需要确定整个显微镜图像中被研究对象的准确位置。此外，科学家可能还需要协调不同仪器在不同温度下的位置数据，量子点设备就是如此。

编译自:ScitechDaily