Udvikling af en one-stop-shop for diamantbaserede kvanteregistreringsmaterialer

Den strålende blå af Hope Diamond er forårsaget af små urenheder i dens krystalstruktur. Lignende diamanturenheder giver også håb til forskere, der ønsker at skabe materialer, der kan bruges til kvanteberegning og kvantesansning.

I ny forskning fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har forskere skabt ekstremt tynde membraner af ren diamant. På nogle få steder i membranens krystalstruktur erstattede holdet carbonatomer med andre atomer, især nitrogen. Disse defekter forbindes med tilstødende atomare ledige områder - områder, hvor et atom mangler - og skaber usædvanlige kvantesystemer kendt som "farvecentre". Sådanne farvecentre er steder til lagring og behandling af kvanteinformation.

Udstyret med en måde til billigt og nemt at skabe diamantmembraner, der har robuste farvecentre, håber forskere hos Argonne at bygge en slags samlebånd til at generere et stort antal af disse membraner til kvanteeksperimenter rundt om i verden.

Evnen til at dyrke membranerne kunne være billetten til at forbedre samarbejdet mellem forskellige laboratorier, der er dedikeret til kvanteinformationsvidenskab, sagde University of Chicago kandidatstuderende Xinghan Guo, hovedforfatter af undersøgelsen.

"I bund og grund håber vi, at dette i sidste ende vil give os muligheden for at blive en one-stop-shop for kvanteregistreringsmaterialer," sagde Guo.

"Defekterne i diamanten er interessante for os, fordi de kan udnyttes til kvanteanvendelse," sagde Nazar Delegan, videnskabsmand i Argonnes Materials Science division og Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago og en samarbejdspartner med Q-NEXT. "At lave disse membraner giver os mulighed for at integrere disse defekter med andre systemer og muliggør nye eksperimentelle konfigurationer."

Diamant er mekanisk hård, kemisk stabil og generelt dyr - med andre ord er det en slags videnskabeligt mareridt, notorisk vanskeligt at fremstille og integrere. Samtidig gør diamantens særlige struktur den til en fantastisk vært for farvecentre, der kan gemme kvanteinformation i lang tid, sagde Guo.

"Konventionel diamant som substrat er super hård at arbejde med," sagde han. "Vores membraner er tyndere og mere tilgængelige for en lang række eksperimenter."

Det nye diamantmateriale, der er udviklet af forskerne, tilbyder større krystal- og overfladekvalitet, hvilket muliggør større kontrol over sammenhængen mellem farvecentrene.

"Du kan pille membranen af ​​og sætte den på en bred vifte af underlag, endda sætte den på en siliciumwafer. Det er en billig, fleksibel og nem måde at arbejde med farvecentre på uden at skulle arbejde direkte med konventionel diamant," sagde Guo. .

"Fordi vi er i stand til at kontrollere og vedligeholde kvanteegenskaberne i individuelle defekter i disse meget tynde materialer, gør det denne platform lovende som grundlag for kvanteteknologier," sagde Delegan.

Et papir baseret på undersøgelsen udkom i onlineudgaven af ​​Nano Letters den 13. december 2021 . + Udforsk yderligere

Direkte udskrivning af nanodiamanter på kvanteniveau