美国国家标准与技术研究院找到使量子点位处中心的方法

可追踪显微技术可提高量子信息技术、生物成像等方面的可靠性

从数百万量子点中捕捉光线的器件，包括芯片级激光器和光放大器，已经从实验室产品过渡到商业产品。然而，新型量子点器件的上市速度一直较慢，因为需要在单个量子点与用于提取和引导发射辐射的微型光学器件之间进行极其精确的对准。

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，误差在10到20 nm之间。这种对准对于利用量子点发射的辐射来存储和传输量子信息的芯片级器件来说至关重要。

美国国家标准与技术研究院的研究人员使光学显微镜的整个图像都达到了这样的精确度，使得他们能够校正许多单个量子点的位置。

研究人员开发的一个模型预测，如果使用新标准对显微镜进行校准，那么高性能器件的数量可能会增加百倍之多。

这一创新能力可使研究实验室内发展缓慢的量子信息技术得到更可靠的研究，并提高其转化为商业产品的效率。

在开发这种方法时，Craig Copeland、Samuel Stavis及其合作者们，包括来自联合量子研究所（JQI，美国国家标准与技术研究院和马里兰大学的研究合作机构）的同事，为用于引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）的标准和校准方法。

Craig Copeland表示：“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。”

在常规测量中，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，因为量子点随机分布在半导体材料的表面。在量子点工作的超低温条件下，半导体材料会发生收缩，如果研究人员忽视这一点，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。

3月18日，论文“可追溯定位技术实现了量子发射器与高产光子结构的精确集成”在线发表于《Optica Quantum》，其中研究人员描述了美国国家标准与技术研究院的方法，该方法可识别并纠正曾被忽视的误差。

美国国家标准与技术研究院团队创建了两种类型的可追溯标准，用以校准光学显微镜，首先在室温下分析制造工艺，随后在低温下测量量子点的位置。基于该团队先前的研究工作，室温标准由金属膜上均匀分布的纳米级孔洞阵列组成。

随后，研究人员使用原子力显微镜测量了这些孔洞的实际位置，确保这些位置可追溯到国际单位制。通过对比光学显微镜观测到的孔洞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作的其他标准，从而对该工艺的准确性和可变性进行统计分析。

论文的联合作者、美国国家标准与技术研究院的研究人员Adam Pintar表示：“良好的统计数据对可追溯链中的每个环节都至关重要。”

研究团队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，研究团队创建了一种新的显微镜标准——在硅晶圆上制作的柱状阵列。科学家们之所以使用硅，是因为硅在低温下的收缩率已经得到精确测量。

在校准低温光学显微镜的放大倍率时，研究人员发现了几个隐患，低温光学显微镜的图像失真往往比室温下工作的显微镜更严重。这些光学缺陷会导致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位置以及在目标、波导或其他光控器件内对准量子点时产生巨大误差。

论文的联合作者、美国国家标准与技术研究院的研究人员Marcelo Davanco表示：“这些误差可能导致研究人员无法制造出符合预期性能的器件。”

研究人员构建了一个详细的模型，专注于量子点与芯片级光子元件集成过程中的测量和制造误差。他们研究了这些误差如何限制量子点器件达到设计性能，从而发现量子点器件的性能有望提高百倍。

Samuel Stavis指出：“如果在第一次实验中，一百个器件中有一个能正常工作，研究人员可能会感到高兴，但可能需要一百个器件中有九十九个能正常工作，制造商才会感到高兴。我们的工作是实验室过渡到晶圆厂的一大飞跃。”

除了量子点器件之外，美国国家标准与技术研究院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图绘制。