Hvordan mangelfulde diamanter fører til fejlfrie kvantenetværk

Farven i en diamant kommer fra en defekt, eller "ledig stilling, " hvor der mangler et kulstofatom i krystalgitteret. Ledige stillinger har længe været interessante for elektronikforskere, fordi de kan bruges som 'kvanteknuder' eller punkter, der udgør et kvantenetværk til overførsel af data. En af måderne at indføre en defekt i en diamant er ved at implantere den med andre elementer, som nitrogen, silicium, eller blik. I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Fotonik , videnskabsmænd fra Japan demonstrerer, at bly-vacancecentre i diamant har de rigtige egenskaber til at fungere som kvanteknuder. "Brugen af ​​et tungt gruppe IV-atom som bly er en simpel strategi til at realisere overlegne spin-egenskaber ved øgede temperaturer, men tidligere undersøgelser har ikke været konsekvente med hensyn til at bestemme de optiske egenskaber af lead-vacance centre nøjagtigt, " siger lektor Takayuki Iwasaki fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), der ledede undersøgelsen.

De tre kritiske egenskaber, forskere leder efter i en potentiel kvanteknude, er symmetri, spin kohærens tid, og nul phonon linjer (ZPL'er), eller elektroniske overgangslinjer, der ikke påvirker "fononer, " mængden af ​​krystalgittervibrationer. Symmetri giver indsigt i, hvordan man kontrollerer spin (rotationshastighed af subatomære partikler som elektroner), kohærens refererer til en identiskhed i bølgenaturen af ​​to partikler, og ZPL'er beskriver den optiske kvalitet af krystallen.

Forskerne fremstillede de ledige blystillinger i diamant og udsatte derefter krystallen for højt tryk og høj temperatur. De undersøgte derefter de ledige stillinger ved hjælp af fotoluminescensspektroskopi, en teknik, der giver dig mulighed for at aflæse de optiske egenskaber og estimere spin-egenskaberne. De fandt ud af, at de ledige stillinger havde en type dihedral symmetri, som er passende til opbygning af kvantenetværk. De fandt også ud af, at systemet viste en stor "grundtilstandsopdeling, " en egenskab, der bidrager til sammenhængen i systemet. Endelig de så, at den højtryks-højtemperaturbehandling, de påførte krystallerne, undertrykte inhomogen fordeling af ZPL'er ved at genvinde skaden på krystalgitteret under implantationsprocessen. En simpel beregning viste, at ledige blypladser havde en lang spinkohærenstid ved en højere temperatur (9K) end tidligere systemer med ledige pladser i silicium og tin.

"Simuleringen, vi præsenterede i vores undersøgelse, synes at antyde, at lead-vacance center sandsynligvis vil være et væsentligt system til at skabe en kvante lys-stof grænseflade - et af nøgleelementerne i anvendelsen af ​​kvante netværk, " konkluderer en optimistisk Dr. Iwasaki.

Denne undersøgelse baner vejen for den fremtidige udvikling af store (defekte) diamantskiver og tynde (defekte) diamantfilm med pålidelige egenskaber til kvantenetværksapplikationer.