Ingeniører designer nanostrukturerede diamantmetaller til kompakte kvanteteknologier

På det kemiske plan, diamanter er ikke mere end kulstofatomer, der er justeret i en præcis, tredimensionelt (3-D) krystalgitter. Imidlertid, selv en tilsyneladende fejlfri diamant indeholder defekter:pletter i det gitter, hvor et kulstofatom mangler eller er blevet erstattet af noget andet. Nogle af disse defekter er yderst ønskelige; de fanger individuelle elektroner, der kan absorbere eller udsende lys, forårsager de forskellige farver, der findes i diamant ædelsten og, vigtigere, skabe en platform for forskellige kvanteteknologier til avanceret databehandling, sikker kommunikation og præcisionsføling.

Kvanteteknologier er baseret på enheder af kvanteinformation kendt som "qubits". Elektronernes spin er primære kandidater til at tjene som qubits; i modsætning til binære computersystemer, hvor data kun har form af 0'ere eller 1'ere, elektron spin kan repræsentere information som 0, 1, eller begge samtidigt i en kvantesuperposition. Qubits fra diamanter er af særlig interesse for kvanteforskere, fordi deres kvantemekaniske egenskaber, inklusive superposition, eksisterer ved stuetemperatur, i modsætning til mange andre potentielle kvanteressourcer.

Den praktiske udfordring med at indsamle information fra et enkelt atom dybt inde i en krystal er en skræmmende en, imidlertid. Penn Engineers adresserede dette problem i en nylig undersøgelse, hvor de udtænkte en måde at mønstre overfladen på en diamant, der gør det lettere at opsamle lys fra defekterne indeni. Kaldes en metalens, denne overfladestruktur indeholder funktioner i nanoskala, der bøjer og fokuserer lyset, der udsendes af defekterne, på trods af at den er faktisk flad.

Undersøgelsen blev ledet af Lee Bassett, Adjunkt ved Institut for Elektro- og Systemteknik, kandidatstuderende Tzu-Yung Huang, og postdoc-forsker Richard Grote fra Bassetts laboratorium.

Yderligere Bassett Lab -medlemmer David Hopper, Annemarie Exarhos og Garrett Kaighn bidrog til arbejdet, ligesom Gerald Lopez, direktør for forretningsudvikling ved Singh Center for Nanotechnology, og to medlemmer af Amsterdams Center for Nanofotonik, Sander Mann og Erik Garnett.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Nøglen til at udnytte kvantesystemernes potentielle kraft er at være i stand til at skabe eller finde strukturer, der gør det muligt at manipulere og måle elektronspin pålideligt, en vanskelig opgave i betragtning af kvantetilstandes skrøbelighed.

Bassetts laboratorium nærmer sig denne udfordring fra en række retninger. For nylig, laboratoriet udviklede en kvanteplatform baseret på et todimensionelt (2-D) materiale kaldet hexagonal bornitrid, som, på grund af dens ekstremt tynde dimensioner, giver mulighed for lettere adgang til elektronspin. I den aktuelle undersøgelse, holdet vendte tilbage til et 3D-materiale, der indeholder naturlige ufuldkommenheder med stort potentiale for at kontrollere elektronspins:diamanter.

Små defekter i diamanter, kaldet nitrogen-vacancy (NV) centre, er kendt for at rumme elektronspin, der kan manipuleres ved stuetemperatur, i modsætning til mange andre kvantesystemer, der kræver temperaturer, der nærmer sig det absolutte nulpunkt. Hvert NV-center udsender lys, der giver information om spintets kvantetilstand.

Bassett forklarer, hvorfor det er vigtigt at overveje både 2-D og 3-D veje inden for kvanteteknologi:

"De forskellige materialeplatforme er på forskellige udviklingsniveauer, og de vil i sidste ende være nyttige til forskellige applikationer. Fejl i 2D-materialer er ideelt egnet til nærhedsføling på overflader, og de kan i sidste ende være gode til andre applikationer, såsom integrerede kvantefotoniske enheder, "Siger Bassett." Lige nu, imidlertid, diamant NV-centret er simpelthen den bedste platform til behandling af kvanteinformation ved stuetemperatur. Det er også en førende kandidat til opbygning af store kvantekommunikationsnetværk. "

Indtil nu, det har kun været muligt at opnå den kombination af ønskværdige kvanteegenskaber, der kræves til disse krævende applikationer, ved at bruge NV-centre indlejret dybt i bulk 3-D krystaller af diamant.

Desværre, disse dybt indlejrede NV-centre kan være svære at få adgang til, da de ikke er lige på overfladen af ​​diamanten. Indsamling af lys fra disse svært tilgængelige defekter kræver normalt et omfangsrigt optisk mikroskop i et stærkt kontrolleret laboratoriemiljø. Bassetts team ønskede at finde en bedre måde at indsamle lys fra NV-centre på, et mål, de var i stand til at opnå ved at designe en specialiseret metalen, der omgår behovet for en stor, dyrt mikroskop.

"Vi brugte begrebet metasurface til at designe og fremstille en struktur på overfladen af ​​diamant, der fungerer som en linse til at indsamle fotoner fra en enkelt qubit i diamant og lede dem ind i en optisk fiber, hvorimod dette tidligere krævede et stort, ledigt optisk mikroskop, " siger Bassett. "Dette er et første nøgletrin i vores større indsats for at realisere kompakte kvanteenheder, der ikke kræver et rum fyldt med elektronik og optiske komponenter med ledig plads."

Metasflader består af indviklede, nanoskala mønstre, der kan opnå fysiske fænomener, der ellers er umulige i makroskalaen. Forskernes metalens består af et felt af søjler, hver 1 mikrometer høj og 100-250 nanometer i diameter, arrangeret på en sådan måde, at de fokuserer lyset som en traditionel buet linse. Ætset på overfladen af ​​diamanten og justeret med et af NV-centrene indeni, metalens leder lyset, der repræsenterer elektronens spin-tilstand, direkte ind i en optisk fiber, strømlining af dataindsamlingsprocessen.

"De faktiske metaller er cirka 30 mikron på tværs, som er cirka diameteren af ​​et stykke hår. Hvis du ser på det stykke diamant, som vi fremstillede det på, du kan ikke se det. Højst du kunne se en mørk plet, "siger Huang." Vi tænker typisk på linser som fokusering eller kollimering, men, med en metastruktur, vi har friheden til at designe enhver form for profil, som vi ønsker. Det giver os frihed til at skræddersy emissionsmønsteret eller profilen af ​​en kvanteemitter, som et NV-center, hvilket ikke er muligt, eller er meget svært, med frirumsoptik."

At designe deres metalens, Bassett, Huang og Grote skulle sammensætte et hold med en bred vifte af viden, fra kvantemekanik til elektroteknik til nanoteknologi. Bassett krediterer Singh Center for Nanotechnology for at spille en afgørende rolle i deres evne til fysisk at konstruere metalens.

"Nanofabrikation var en nøglekomponent i dette projekt, " siger Bassett. "Vi var nødt til at opnå højopløsningslitografi og præcis ætsning for at fremstille en række diamantnanopiller på længdeskalaer, der er mindre end lysets bølgelængde. Diamant er et udfordrende materiale at bearbejde, og det var Richards dedikerede arbejde i Singh Centret, der muliggjorde denne evne. Vi var også heldige at nyde godt af det erfarne renrumspersonale. Gerald hjalp os med at udvikle elektronstrålelitografiteknikkerne. Vi fik også hjælp fra Meredith Metzler, Thin Film Area Manager på Singh Center, i udviklingen af ​​diamantætsningen."

Selvom nanofabrikation kommer med sine udfordringer, fleksibiliteten ved metasurface engineering giver vigtige fordele for virkelige anvendelser af kvanteteknologi:

"Vi besluttede at kollimere lyset fra NV-centre for at gå til en optisk fiber, da det let forbinder med andre teknikker, der er blevet udviklet til kompakte fiberoptiske teknologier i løbet af det sidste årti, Huang siger. "Kompatibiliteten med andre fotoniske strukturer er også vigtig. Der kan være andre strukturer, du ønsker at sætte på diamanten, og vores metalens udelukker ikke de andre optiske forbedringer."

Denne undersøgelse er blot et af mange skridt mod målet om at komprimere kvanteteknologi til mere effektive systemer. Bassetts laboratorium planlægger at fortsætte med at udforske, hvordan man bedst udnytter kvantepotentialet i 2-D og 3-D materialer.

"Kvanteingeniørområdet udvikler sig hurtigt nu, for en stor del på grund af konvergensen af ​​ideer og ekspertise fra mange discipliner, herunder fysik, materialevidenskab, fotonik og elektronik, "Siger Bassett." Penn Engineering udmærker sig på alle disse områder, så vi ser frem til mange flere fremskridt i fremtiden. Ultimativt, vi ønsker at overføre denne teknologi ud af laboratoriet og ind i den virkelige verden, hvor den kan have en indflydelse på vores hverdag."