Möbius-mikrokapselit tarjoavat poikkeuksellisen rakenteen, jossa sisäinen symmetrian rikkominen mahdollistaa säädettävän tilan ei-ortogonaalisuuden. Perinteisten sisäpuolisesti poolarisoitujen tilojen lisäksi, voidaan tukea myös ulospäin poolarisoituneita omatiloja, jotka mahdollistavat muokattavan Berry-vaiheen synnyn. Näiden työkalujen avulla voidaan manipuloida fotonien geometrodynamiikkaa Möbius-mikrokapseleissa. Dielektriset Möbius-nauhamikrokapselit tarjoavat topologisesti elegantin ja käytännöllisesti saavutettavan, integroituvan, hallittavan sekä pienoistettavan rakennuspalikan optiikassa ja fotoniikassa niin klassisissa kuin kvanttialueilla.

Optinen spin–orbit-liitos, joka syntyy, kun pyörivät hiukkaset kuten elektronit ja fotonit kokevat spin–orbit-yhteyden, voi johtaa Berry-vaiheen syntyyn dynaamisen vaiheen lisäksi. Berry-vaihe käsiteltiin alun perin syklistä fysikaalista järjestelmää, jossa kehityksellä oli Abelian evoluutio, ja myöhemmin sitä laajennettiin ei-syklisten ja ei-Abelian tapausten käsittelyyn, mikä avasi uusia mahdollisuuksia useilla tieteellisillä ja teknologisilla alueilla. Tässä osassa käsitellään optisen spin–orbit-liitoksen toteutusta epäsymmetrisissä mikrokapselirengasrakenteissa ja kokeellista havainnointia ei-syklisten optisten Berry-vaiheiden synnystä ei-Abelian evoluutioissa. Tämä työ on tärkeä sekä peruslähtöisiin tutkimuksiin että lupaaviin sovelluksiin, erityisesti fotonien manipulointiin kvanttiteknologisissa laitteissa.

Mikrorenkaat valmistetaan vapauttamalla eri tavalla jännitetyt SiO/SiO2-kaksikerrosnanokalvot, jotka on suunniteltu pyöreiksi kuvioiksi ja jotka kääritään mikrorengasrakenteiksi piialustalle. Optisen spin–orbit-liitoksen mahdollistamiseksi koverat epäsymmetriset mikrorenkaat valmistetaan vapauttamalla ja kiertämällä jännitetyt nanokalvot epätasaisesti. Resonointikammioiden päälle levitetään HfO2-kerros atomikerrosdeposition (ALD) avulla, mikä muuttaa niiden tehokkaita taitekerroksia. Tällöin saadaan rakenne, joka mahdollistaa optisen spin–orbit-liitoksen syntymisen.

Perinteisissä optisissa mikrokapselirengasresonaattoreissa, kuten sylinterimäisissä renkaissa, sähkömagneettinen kenttä ei muutu suhteessa aallonvektorin kk kulkusuuntaan. Resonanssivalo kulkee suljetussa ympyrässä, mikä eroaa avointen helical-radan rakenteista, jotka mahdollistavat optisten spin–orbit-liitosten syntymisen. Möbius-renkaan geometriassa aalto-vektori kk kokee triviaalin evoluution kulkiessaan suljettua reittiä, mutta poikittainen sähkökenttä kiertyy edetessään pitkin keskustaa. Tämä synnyttää tehokkaan orbitaalisen kulmaliikkeen (OAM), joka on samanlainen kuin optinen vortiikki tai muunneltu valonsäde. Tällöin optinen spin–orbit-liitos johtaa siihen, että lisääntyy Berry-vaihe, joka on uusi lisätilavuus optisessa järjestelmässä ja joka näkyy ei-kokonaislukuisena aaltojen määränä rakenteen kiertävällä polulla.

Tässä erikoisessa geometriassa, jossa mikrorengas on rakenteeltaan epäsymmetrinen, resonanssivalon kulkureitti ei ole täysin tasossa, vaan kallistuu hieman pois tasosta vähentääkseen optista polkua. Tämä kallistus ilmentyy Fermatin periaatteen mukaisesti, jolloin valo liikkuu optisesti tehokkaimmalla radalla. Tällöin syntyy optinen spin–orbit-liitos, joka aiheuttaa valon polarization suuntien vaihtelua samalla kun polarisaatio ei muutu eksentrisesti, vaikka sen orientaatio voi vaihdella.

Mikrokapseli, kuten Möbius-rengas, mahdollistaa optisen spin–orbit-liitoksen esiintymisen myös mikrostruktuureissa, jotka eivät ole perinteisiä sylinterimäisiä geometrioita. Yksittäisten fotonien liikkuminen tällaisessa rakenteessa johtaa uuteen optisen aaltoilmiön ilmenemiseen, jossa resonanssivalon polarisaatio muuttuu kiertäessään ympäröivän mikrorakenteen polkua. Tämä luo uusia mahdollisuuksia optisten komponenttien kehittämiseen sekä perustutkimuksen että käytännön sovellusten kentällä.

Mikrorakenne mahdollistaa valon erityyppisten resonanssien syntymisen, ja se voi toimia paitsi tavanomaisessa optiikassa myös kvanttifotoniikan sovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkaa fotonien manipulointia. Se, että optinen spin–orbit-liitos voi syntyä tällaisessa rakenteessa, avaa mahdollisuuksia valon spin-polarisaation hallintaan ja fotonien käsittelyyn tavalla, joka ei ollut aiemmin mahdollinen perinteisissä mikrokapselirakenteissa.

Mikä tekee kvanttirenkaista kiinnostavia sovelluksissa ja kvanttiteknologiassa?

Kvanttirenkaat (QR) ovat itsestään kokoonpanovaiheessa syntyviä nanostruktuureja, jotka voivat ilmetä monenlaisina rakenteina riippuen kasvuolosuhteista ja lämpökäsittelystä. Vuonna 2003 Granados ja García havaitsivat, että InAs/GaAs itsekokoonpanossa syntyvän kvanttistruktuurin fotoluminesenssi spektri riippuu voimakkaasti sen muodosta. Kasvatusolosuhteista riippuen voi syntyä kvanttipisteitä, kvanttirenkaat tai monimutkaisempia rakenteita. Fotoluminesenssin energia vaihteli 1.1 eV:stä (kvanttipisteet) aina 1.35 eV:iin (kvanttirenkaat), ja tämä siirtymä johtui siitä, että kvanttirenkaassa kantajat olivat vähemmän tiukasti sidottuja kuin kvanttipisteissä. Tämä ominaisuus ei kuitenkaan tehnyt niitä erityisen houkutteleviksi sovelluksille, sillä useimmiten pyritään saamaan puolijohteiden nanorakenteet emittoimaan pitkittäissäilytyksen aallonpituuksilla, jotka ovat saavutettavissa tavanomaisilla InAs/GaAs kvanttipisteillä.

Kuitenkin InAs/GaAs QR-rakenteita on tutkittu niiden käyttöä varten THz-tunnistimissa, sillä niiden pimeä virta on hyvin alhainen, ja GaAs/AlGaAs QR:lle on ehdotettu käyttöä aurinkokennoissa, koska jännityksensäilyttävät QR:t voisivat parantaa kvantitehokkuutta. Näissä sovelluksissa rakenteen ydinpiirteet, kuten topologinen rakenne tai rengasmuotoiset varausjakaumat, eivät ole oleellisia laitteen toiminnan kannalta.

Erityisesti eräässä tutkimuksessa huomattiin, että InAs/GaAs QR:ät, jotka usein ovat epäsymmetrisiä, voivat tuottaa voimakkaan optisen anisotropian. Tämä ominaisuus voi olla hyödyllinen tilanteissa, joissa tarvitaan optista polarisaation havaitsemista tai manipuloimista. Renkaan muotoinen potentiaali on tärkeä myös tyyppi II kvanttirenkaissa, jotka voivat toimia muistilaitteina pitkällä varastointiajalla. Tämä johtuu siitä, että elektronin ja aukon spatiaalinen erottaminen estää kantajien rekombinaation. Tällaisessa rakenteessa aukko on sidottu pistepotentiaaliin ja elektroni rengasrakenteeseen, joka kiertää pistettä.

Edistyksellisempi ajatus on hallita elektronin ja aukon parin siirtymistä renkaassa muuttaen kirkkaan eksitonin tilan tummaksi eksitoniksi ja päinvastoin. Tällöin sekä kohtisuora magneettinen että tasossa oleva sähkökenttä voivat hallita eksitonin tilaa ja mahdollistaa optisesti viritetyn eksitonin varastoinnin ja vapauttamisen QR:ssä, jonka tila voidaan lukea erillisen lähestymistavan avulla.

Erityisen mielenkiintoisia ovat ne sovellukset, jotka perustuvat kvanttirenkaan geometrian topologisiin ominaisuuksiin. Näitä sovelluksia on erityisesti kvanttilaskennassa, jossa spin-manipulaatio on keskeistä. Esimerkiksi GaAs/AlGaAs QR:issä on havaittu peräkkäisiä spinin käännöksiä. Näissä rakenteissa, jotka toimivat Coulombin eston alueella, saatiin kokeellisia tuloksia, jotka osoittivat kyvyn tutkia yksittäisiä spinin käännöksiä. Tämä on tärkeä askel kohti tarkkaa spinin hallintaa. Näiden QR:ien elektroniset spektrit mahdollistavat spinin käännöksen havaitsemisen ja sen jälkeen ehdotettiin, että QR:t voivat toimia spin-qubiteina, koska niiden spinin vakaus on korkeampi verrattuna kvanttipisteisiin.

Eräät tutkimukset ovat tutkineet spinin rentoutumista QR:issä ja kvanttipisteissä ja ovat raportoineet, että QR:ssä spinin vakaus on parempi kuin kvanttipisteissä, mikä tukee niiden käyttöä spin-qubiteina. Lisäksi on käyty keskustelua siitä, kuinka kvanttirenkaan ominaisuuksia voidaan käyttää kvanttivaltioiden manipuloimiseen ja tallentamiseen. Tämä viittaa siihen, että QR:it voivat toimia tärkeinä komponentteina kvanttitietokoneissa, joissa tarvitaan tarkkaa ja nopeaa spinin käsittelyä.

Kvanttirenkaiden tutkimus on paljastanut niiden valtavan potentiaalin monenlaisiin sovelluksiin. Näitä ovat THz-tunnistimet, tehokkaat aurinkopaneelit, muistilaitteet, sähköisesti säädettävät optiset sulkijat, yksittäisten fotonien lähteet ja spin-qubitit kvanttiteknologiassa. Tällaiset sovellukset voivat avata uusia mahdollisuuksia sekä perinteisessä teknologiassa että tulevassa kvanttilaskennassa.

Miten mestarit ratkaisevat shakkivapautensa: Esimerkkejä ja taktiikoita
Miten rakentaa ASP.NET Core MVC -käyttöliittymä ja hyödyntää Razor-näkymiä sekä Bootstrapia?
Miten kaupunkien rappeutuminen vaikutti poliittiseen kenttään Yhdysvalloissa?
Mikä tekee yksittäisestä oikeistopopulistisesta terroristi-iskusta niin vaarallisen ilmiön?
Miten kulttuurit kehittyvät ja miksi ihmisten yhteiskunnat eivät ole samassa vaiheessa kehityksessä?