Toekomstige sprankeling voor op diamant gebaseerde kwantumtechnologie

Marilyn Monroe zong beroemd dat diamanten de beste vriend van een meisje zijn, maar ze zijn ook erg populair bij kwantumwetenschappers – met twee nieuwe doorbraken op het gebied van onderzoek die de ontwikkeling van op synthetische diamant gebaseerde kwantumtechnologie zullen versnellen, de schaalbaarheid moeten verbeteren en de productiekosten drastisch moeten verlagen.

Hoewel silicium traditioneel wordt gebruikt voor hardware voor computers en mobiele telefoons, heeft diamant unieke eigenschappen die het bijzonder nuttig maken als basis voor opkomende kwantumtechnologieën zoals kwantumsupercomputers, beveiligde communicatie en sensoren.

Er zijn echter twee belangrijke problemen; kosten en moeilijkheid bij het vervaardigen van de monokristallijne diamantlaag, die kleiner is dan een miljoenste van een meter.

Een onderzoeksteam van het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics aan de University of Technology Sydney (UTS), geleid door professor Igor Aharonovich, heeft zojuist twee research papers gepubliceerd in Nanoschaal en Geavanceerde kwantumtechnologieën, die deze uitdagingen aanpakken.

“Om diamant te kunnen gebruiken in kwantumtoepassingen, moeten we ‘optische defecten’ in de diamantapparaten – holtes en golfgeleiders – nauwkeurig engineeren om informatie in de vorm van qubits – de kwantumversie van klassieke computerbits – te besturen, te manipuleren en uit te lezen. ‘ zei professor Aharonovich.

“Het is vergelijkbaar met het snijden van gaten of het uithakken van geulen in een superdun diamantvel om ervoor te zorgen dat het licht in de gewenste richting beweegt en weerkaatst”, zei hij.

Om de “ets” -uitdaging het hoofd te bieden, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe harde maskeermethode, die een dunne metalen wolfraamlaag gebruikt om de diamanten nanostructuur van een patroon te voorzien, waardoor eendimensionale fotonische kristalholtes kunnen worden gecreëerd.

“Het gebruik van wolfraam als een hard masker lost verschillende nadelen van diamantfabricage op. Het werkt als een uniforme geleidende laag om de levensvatbaarheid van elektronenbundellithografie met een resolutie op nanoschaal te verbeteren”, aldus de hoofdauteur van het artikel in Nanoscale, UTS Ph.D. kandidaat Blake Regan.

Voor zover wij weten, bieden we het eerste bewijs van de groei van een monokristallijne diamantstructuur uit polykristallijn materiaal met behulp van een bottom-up benadering, zoals het kweken van bloemen uit zaad.

“Het maakt ook de postfabricage-overdracht van diamantapparaten op het substraat van keuze onder omgevingsomstandigheden mogelijk. En het proces kan verder worden geautomatiseerd om modulaire componenten te creëren voor op diamant gebaseerde kwantumfotonische schakelingen,” zei hij.

De wolfraamlaag is 30 nm breed – ongeveer 10.000 keer dunner dan een mensenhaar – maar het maakte een diamantetsing mogelijk van meer dan 300 nm, een record-selectiviteit voor diamantverwerking.

Een ander voordeel is dat voor het verwijderen van het wolfraammasker geen fluorwaterstofzuur nodig is – een van de gevaarlijkste zuren die momenteel worden gebruikt – dus dit verbetert ook aanzienlijk de veiligheid en toegankelijkheid van het diamant nanofabricageproces.

Om het probleem van de kosten aan te pakken en de schaalbaarheid te verbeteren, ontwikkelde het team een ​​innovatieve stap om fotonische monokristallijne diamantstructuren te laten groeien met ingebedde kwantumdefecten van een polykristallijn substraat.

“Ons proces is gebaseerd op goedkopere grote polykristallijne diamant, die verkrijgbaar is als grote wafers, in tegenstelling tot de traditioneel gebruikte monokristallijne diamant van hoge kwaliteit, die beperkt is tot een paar mm2”, aldus UTS Ph.D. kandidaat Milad Nonahal, hoofdauteur van de studie in Geavanceerde kwantumtechnologieën.

“Voor zover wij weten, bieden we het eerste bewijs van de groei van een monokristallijne diamantstructuur uit polykristallijn materiaal met behulp van een bottom-up benadering, zoals het kweken van bloemen uit zaad,” voegde hij eraan toe.

“Onze methode elimineert de behoefte aan dure diamantmaterialen en het gebruik van ionenimplantatie, wat essentieel is om de commercialisering van diamantkwantumhardware te versnellen”, zei UTS Dr. Mehran Kianinia, een senior auteur van de tweede studie.

“Nanofabricage van overdraagbare diamantresonatoren met hoge Q” is gepubliceerd in Nanoschaal.

“Bottom-Up Synthesis of Single Crystal Diamond Piramides met Germanium Vacancy Centers” is gepubliceerd in Geavanceerde kwantumtechnologieën.