Photonic Moire Nanostructures for Scalable Fabrication of Quantum Structures

用于可扩展制造量子结构的光子莫尔纳米结构

基本信息

  • 批准号:
    2028773
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-01 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Scalable manufacturing procedures that can generate nanoscale patterns with no natural geometric analog are useful in the formation of nanostructured device structures. Ultrathin nanostructures (one thousandth the diameter of a human hair) composed of metallic building units can control the flow of light in new ways and transform modern bulky devices. Such surfaces will accelerate progress in fabricating new materials and the emergence of domestic industries involving quantum communication, enhanced light collection for solar cells, and compact light emitters for optical circuits. Historically, the creation of complex nanostructured designs has required precise, slow-production tools that are expensive and time consuming. This research will explore highly reproducible and broadly flexible methods to form surfaces with unconventional geometries for light manipulation from simple and accessible lithography tools. By incorporating the expertise of materials science engineers and computational scientists, this research expands our nation’s leadership in scalable manufacturing processes critical for quantum information processing and anti-counterfeiting for national security. This work will also increase scientific literacy through a combination of hands-on demonstrations to under-represented communities and widely available video tutorials depicting the techniques used in this research.Superimposing periodic arrays at specific rotational offsets produce interference patterns known as moiré patterns. Depending on the offset angle, the moiré pattern may be highly symmetric or aperiodic. Stacking two layers of 2D atomic materials at a “magic angle” has resulted in electronic moiré potentials that show unexpected physical properties including superconductivity and topological excitonic states. This project develops scalable nanofabrication methods to generate large-area photonic moiré nanostructures by building on moiré nanolithography. Although periodic nanostructures can be fabricated by techniques such as nanoimprinting and laser interference lithography, the patterns are typically limited to arrays with a single repeating unit. With multiple exposures and a library of periodic masks, however, moiré nanolithography can drastically expand the number of symmetries beyond those realized by stacking 2D atomic materials. Pattern formation, transfer, and processing will be optimized to investigate photonic properties that may only be realized by nanoarchitectures organized into super-symmetries. One application will focus on the nanomanufacturing of photonic structures that may support topological states or that can be coupled to quantum emitters for unprecedented light-matter interactions.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
可以生成无天然几何类似物的纳米级模式的可扩展制造程序可用于形成纳米结构设备结构。由金属建筑单元组成的超薄纳米结构(人体直径的千分之一)可以以新的方式控制光的流动并改变现代笨重的设备。这样的表面将加速制造新材料以及涉及量子通信的国内行业的出现,太阳能电池的光收集增强以及光电电路的紧凑光发射器。从历史上看,复杂的纳米结构设计的创建需要昂贵且耗时的精度,缓慢的生产工具。这项研究将探索高度可重现和广泛的灵活方法,以形成具有非常规几何形状的表面,以通过简单且可访问的岩性造影工具进行轻度操纵。通过编码材料科学工程师和计算科学家的专业知识,这项研究扩大了我们国家在可扩展的制造过程中的领导能力,这对于量子信息处理至关重要,并且对国家安全的反企业进行了反对。这项工作还将通过将动手演示的结合结合到代表性不足的社区和广泛可用的视频教程,描绘了这项研究中使用的技术。在特定的旋转偏移量产生的干扰模式中,刺激了称为Moiré模式的特定旋转偏移模式。根据偏移角度,Moiré模式可能是高度对称的或Aperiodic的。以“魔术角”堆叠两层的2D原子材料,导致电子电势显示出意想不到的物理特性,包括超导性和拓扑刺激状态。该项目开发了可扩展的纳米化方法,以通过在moiré纳米片上构建建立大区块光子Moiré纳米结构。尽管可以通过诸如纳米印刷和激光干扰光刻等技术来制造周期性纳米结构,但这些模式通常仅限于具有单个重复单元的数组。但是,使用多次暴露和周期性面具的库,Moiré纳米术可以大大扩大对称性的数量,而不是通过堆叠2D原子材料所实现的对称性。将优化模式形成,转移和加工,以研究仅通过组织为超符号的纳米结构才能实现的光子性能。一项应用程序将集中在光子结构的纳米制造上,这些光子结构可能支持拓扑状态,或者可以与量子发射器结合起来,以实现前所未有的光 - 物质相互作用。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是通过基金会的知识分子和更广泛的影响审查审查标准来通过评估来获得的支持。

项目成果

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