Fremtidens gnistre for diamantbaseret kvanteteknologi

Marilyn Monroe sang berømt, at diamanter er en piges bedste ven, men de er også meget populære blandt kvanteforskere – med to nye forskningsgennembrud, der er klar til at accelerere udviklingen af ​​syntetisk diamantbaseret kvanteteknologi, forbedre skalerbarheden, og reducere produktionsomkostningerne dramatisk.

Mens silicium traditionelt bruges til computer- og mobiltelefonhardware, diamant har unikke egenskaber, der gør den særlig anvendelig som base for nye kvanteteknologier såsom kvantesupercomputere, sikker kommunikation og sensorer.

Der er dog to nøgleproblemer; koste, og vanskeligheder med at fremstille det ene krystal diamantlag, som er mindre end en milliontedel af en meter.

Et forskerhold fra ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optics ved University of Technology Sydney (UTS), ledet af professor Igor Aharonovich, har netop udgivet to forskningsartikler, i Nanoskala og Avancerede kvanteteknologier , der løser disse udfordringer.

"For diamant, der skal bruges i kvanteapplikationer, vi er nødt til præcist at konstruere 'optiske defekter' i diamantanordningerne – hulrum og bølgeledere – for at kontrollere, manipulere og udlæse information i form af qubits - kvanteversionen af ​​klassiske computerbits, sagde professor Aharonovich.

"Det svarer til at skære huller eller skære kløfter i et supertyndt ark diamant, for at sikre, at lyset bevæger sig og hopper i den ønskede retning, " han sagde.

For at overvinde "ætsnings"-udfordringen, forskerne udviklede en ny hård maskeringsmetode, som bruger et tyndt metallisk wolframlag til at mønstre diamantnanostrukturen, muliggør skabelsen af ​​endimensionelle fotoniske krystalhulrum.

"Brugen af ​​wolfram som en hård maske adresserer adskillige ulemper ved diamantfremstilling. Det fungerer som et ensartet tilbageholdende ledende lag for at forbedre levedygtigheden af ​​elektronstrålelitografi ved opløsning i nanoskala, " sagde hovedforfatter af papir i Nanoscale, UTS Ph.D. kandidat Blake Regan.

Så vidt vi ved, vi tilbyder det første bevis på væksten af ​​en enkelt krystal diamantstruktur fra et polykrystallinsk materiale ved hjælp af en bottom-up tilgang – som at dyrke blomster fra frø.

"Det tillader også post-fabrikationsoverførsel af diamantenheder til det valgte underlag under omgivende forhold. Og processen kan automatiseres yderligere, at skabe modulære komponenter til diamantbaserede kvantefotoniske kredsløb, " han sagde.

Wolframlaget er 30nm bredt - omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår - men det muliggjorde en diamantætsning på over 300nm, en rekord selektivitet for diamantbearbejdning.

En yderligere fordel er, at fjernelse af wolframmasken ikke kræver brug af flussyre - en af ​​de farligste syrer, der er i brug i øjeblikket - så dette forbedrer også sikkerheden og tilgængeligheden af ​​diamant nanofabrikationsprocessen markant.

For at løse problemet med omkostninger, og forbedre skalerbarheden, holdet videreudviklede et innovativt skridt til at dyrke fotoniske enkeltkrystal diamantstrukturer med indlejrede kvantefejl fra et polykrystallinsk substrat.

"Vores proces er afhængig af billigere store polykrystallinske diamanter, som fås som store oblater, i modsætning til den traditionelt brugte højkvalitets enkeltkrystal diamant, som er begrænset til et par mm2", sagde UTS Ph.D.-kandidat Milad Nonahal, hovedforfatter af undersøgelsen i Avancerede kvanteteknologier .

"Så vidt vi ved, vi tilbyder det første bevis på væksten af ​​en enkelt krystal diamantstruktur fra et polykrystallinsk materiale ved hjælp af en bottom-up tilgang – som at dyrke blomster fra frø, " han tilføjede.

"Vores metode eliminerer behovet for dyre diamantmaterialer og brugen af ​​ionimplantation, som er nøglen til at fremskynde kommercialiseringen af ​​diamantkvantehardware" sagde UTS Dr. Mehran Kianinia, en seniorforfatter på den anden undersøgelse.

"Nanofremstilling af høj Q, overførbare diamantresonatorer" er udgivet i Nanoskala .

"Bottom-Up Synthesis of Single Crystal Diamond Pyramids Containing Germanium Vacancy Centres" er udgivet i Avancerede kvanteteknologier .