量子点与光子组件的精确对齐对于提取量子点发出的辐射至关重要。在此图中，以圆形光栅的光学“热点”为中心的量子点（插图中的中心点）比未对齐的点（插图中的偏心点）发出更多的光。图片来源：S. Kelley/NIST
从数百万个量子点中捕获明亮光线的设备，包括芯片级激光器和光放大器，已经完成了从实验室实验到商业产品的过渡。但是，新型量子点器件进入市场的速度较慢，因为它们需要在单个点和提取和引导发射辐射的微型光学器件之间非常精确地对齐。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其同事现在已经开发了光学显微镜的标准和校准，允许量子点与光子元件的中心对齐，误差在10到20纳米（大约是一张纸厚度的千分之一）以内。
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。该研究发表在Optica Quantum上。
NIST研究人员首次在光学显微镜的整个图像上达到了这种精度水平，使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，如果使用新标准校准显微镜，那么高性能设备的数量可能会增加一百倍。
这种新能力可以使从研究实验室慢慢出现的量子信息技术得到更可靠的研究，并有效地开发成商业产品。
在开发他们的方法时，克雷格·科普兰（Craig Copeland），塞缪尔·斯塔维斯（Samuel Stavis）及其合作者，包括来自NIST和马里兰大学之间的研究合作伙伴关系联合量子研究所（JQI）的同事，创建了可追溯到国际单位制（SI）的标准和校准，用于指导量子点的对齐。
“找到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被证明是一个棘手的测量问题，”科普兰说。
在典型的测量中，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。如果研究人员忽略半导体材料在量子点工作的超冷温度下的收缩，误差就会变大。
更复杂的是，这些测量误差因研究人员用来制作校准标准的制造过程中的不准确而变得更加复杂，这也影响了光子元件的放置。
研究人员在3月18日发表在Optica Quantum上的一篇文章中描述了NIST方法，该方法可以识别并纠正以前被忽视的此类错误。
图示显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错位。图片来源：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。在他们之前的工作基础上，室温标准由一系列纳米级孔组成，这些孔在金属薄膜中间隔一定距离。
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。通过将光学显微镜观察到的孔的表观位置与实际位置进行比较，研究人员评估了光学显微镜的放大校准和图像畸变的误差。然后，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品，从而能够对过程的准确性和可变性进行统计分析。
“良好的统计数据对于可追溯性链中的每个环节都至关重要，”NIST研究员Adam Pintar说，他是该文章的合著者。
研究小组将他们的方法扩展到低温，校准了用于对量子点成像的超冷光学显微镜。为了进行这种校准，该团队创建了一种新的显微镜标准——在硅晶圆上制造的一系列支柱。科学家们之所以使用硅，是因为已经精确测量了材料在低温下的收缩率。
研究人员在校准低温光学显微镜的放大倍率时发现了几个陷阱，这些显微镜的图像失真往往比在室温下操作的显微镜更严重。这些光学缺陷将直线图像弯曲成粗糙的曲线，校准可以有效地拉直这些曲线。如果不校正，图像失真会导致在确定量子点的位置以及在目标、波导或其他光控制设备中对齐量子点时出现较大误差。
“这些错误可能阻止了研究人员制造出性能符合预期的设备，”NIST研究员Marcelo Davanco说，他是该文章的合著者。
研究人员开发了一个详细的模型，用于将量子点与芯片级光子组件集成的测量和制造误差。他们研究了这些错误如何限制量子点器件按设计执行的能力，发现了一百倍改进的潜力。
“如果一百个设备中有一个适用于他们的第一次实验，研究人员可能会很高兴，但制造商可能需要一百个设备中的九十九个才能工作，”斯塔维斯指出。“我们的工作是这种从实验室到晶圆厂过渡的飞跃。”
除了量子点器件之外，NIST正在开发的可追溯标准和校准可以提高光学显微镜其他要求苛刻的应用的准确性和可靠性，例如脑细胞成像和绘制神经连接图谱。
为了完成这些工作，研究人员还试图在整个显微镜图像上确定所研究物体的准确位置。此外，科学家可能需要协调不同仪器在不同温度下的位置数据，就像量子点设备一样。
更多信息： Craig R. Copeland等人，可追溯的定位能够以高产率实现量子发射器和光子结构的精确集成，Optica Quantum（2024）。DOI： 10.1364/OPTICAQ.502464
