TeraHertz kvantsensorer baserade på kvantprickar av två-lagers grafen placerade i resonatorer

Forskningsprojekt, 2024 – 2026

Ljus är nyckeln för att båda uppfatta vår miljö i vardagen och för förstå strukturer och mönster i naturen.Men för att "se" ljus utanför det synliga området behövs specifika detektorer.
Ljus är nyckeln för att båda uppfatta vår miljö i vardagen och för förstå strukturer och mönster i naturen. Men för att "se" ljus utanför det synliga området behövs specifika detektorer. Sådana detektorer utgör ett stort behov och en ännu större utmaning inom den pågående utvecklingen av kvantteknologier. I sådana teknologier behöver ljus kunna detekteras i form av enstaka fotoner - ljuskvanta - och detta med mycket hög precision. Beroende på valet av system som utgör detektorn kan dessutom ljuset som ska detekteras och manipuleras ligga inom mycket olika våglängdsintervall. Kvantteknologier och deras tillämpningsområden, såsom kvantsensorer, högpresterande beräkningar, simulering och kommunikation, har hittills framgångsrikt implementerats i mikrovågs- och optiska regimer av det elektromagnetiska spektrumet. Att utforska kvantteknologi i THz-spektralområdet är ett mycket lovande framtida forskningsområde. Till exempel är kvantkryptografi vid THz-frekvenser av stort intresse för trådlös kommunikation med bästa möjliga säkerhet. Detta följer av att trådlösa THz-länkar uppvisar svag prestandaförsämring jämfört med optiska länkar i fritt utrymme i närvaro av damm, dimma och atmosfärisk turbulens. Dessutom förväntas en utvidgning av övergångsfrekvensen för många sorters kvantbitar  (till exempel supraledande kretsar eller spinn i halvledare) från GHz till THz-spektralområdet att kunna öka kvantbitarnas driftstemperatur. Detta kan i sin tur övervinna uppskalningsproblem på grund av den låga kyleffekten hos kryostater samt skulle även kunna möjliggöra snabbare kvantbits-manipulationer. Utöver detta kan THz-strålning manipulera kvanttillstånden för de flesta molekyler, som är erkända plattformar för kvantberäkningar och simuleringar baserade på växelverkan med lång räckvidd. Slutligen kan transmissiviteten genom annars ogenomskinliga material eller robustheten mot Rayleigh-spridning vara viktiga tillgångar för THz-strålning inom kvantsensortillämpningar. Idag är kvantsystem i THz-spektralområdet fortfarande i sin linda, främst för att THz-tekniken är mycket mindre utvecklad än den i mikrovågs- och optiska frekvensbandet. Kvantsensorer, som representerar ett banbrytande område inom kvantteknologi, har hittills uppvisat få resultat vid THz-frekvenser. Målet med projektet ThinQ är att utveckla THz-sensorer med precision för enfoton-detektering och att till och med utforska sensorernas potential för detektering bortom standardkvantgränsen. ThinQ kommer därför att utforska potentialen hos tvådimensionella (2D) material. Mer specifikt kommer sensorer gjorda av två-lagers grafen att utvecklas, i form av kvantprickar - små öar av material som bara är några hundra nanometer stora. I dessa kvantprickar kommer förskjutningar av enstaka elektroner, utlösta av absorptionen av enstaka THz-fotoner, att detekteras elektriskt. Hittills har potentialen hos 2D material för realisering av kvantsensorer av icke-klassiska tillstånd av THz-ljus inte undersökts. I ThinQ kommer vi att lägga grunden för THz-kvantsensorer bortom standardkvantgränsen genom att utveckla nya sensorer baserade på grafenkvantprickar kopplade till en THz-resonator.