Gennembrudsforskning skal accelerere syntetisk diamant-baseret kvanteteknologi

To nye gennembrudsopdagelser vil accelerere udviklingen af syntetisk diamant-baseret kvanteteknologi, som er beregnet til at forbedre skalerbarheden og drastisk reducere produktionsomkostningerne.

Computer- og mobiltelefonhardware afhænger ofte af silicium, men diamant har bestemte egenskaber, der gør den nyttig som basis for kvanteteknologier som kvantesupercomputere, sikre kommunikationer og sensorer.

Der er to store barrierer for denne tilgang. Først er det svært at fremstille den enkeltkrystalline diamantlag, som er mindre end en milliontedel af en meter, og andet, omkostningerne er høje.

Nye Forskningsartikler

To nye forskningsartikler fra ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics ved University of Technology Sydney (UTS) er blevet offentliggjort og beskæftiger sig med disse problemer. Forskningsholdet ledes af professor Igor Aharonovich, og artiklerne er blevet offentliggjort i Nanoscale og Advanced Quantum Technologies.

“For at diamant kan bruges i kvanteanvendelser, skal vi nøjagtigt udforme ‘optiske defekter’ i diamantenhederne – kavitter og bølgeledere – for at kontrollere, manipulere og aflæse information i form af qubits – den kvantemæssige version af klassiske computerbit,” sagde professor Aharonovich.

“Det ligner at skære huller eller udhule slugter i en super tynd diamantskive, så lys kan bevæge sig og hoppe i den ønskede retning,” fortsatte han.

Holdet kunne oprette en-dimensionelle fotoniske krystalhuler ved at udvikle en ny hård maskemetode, som afhænger af et tyndt metallisk wolframlag til at mønstre diamantnanostrukturen.

UTS-ph.d.-stipendiat Blake Regan er hovedforfatter på Nanoscale-artiklen.

“Brugen af wolfram som en hård maske løser flere ulemper ved diamantfremstilling. Det fungerer som en uniform begrænsende ledende lag til at forbedre muligheden for elektronstråleteknologi i nanoskalaopløsning,” sagde Regan.

Ifølge Regan tilbyder holdet det første bevis for væksten af en enkeltkrystal diamantstruktur fra et polykrystallinsk materiale gennem en bottom-up-tilgang.

“Det tillader også overførslen af diamantenheder til det valgte substrat under ambient betingelser. Og processen kan yderligere automatiseres for at oprette modulære komponenter til diamantbaseret kvantefotonisk kredsløb,” fortsatte han.

Fordele ved den nye tilgang

Det 30 nm brede wolframlag er cirka 10.000 gange tyndere end et menneskehår. Trods dette tillod det en diamantetsning på over 300 nm, hvilket er en rekordhøj selektivitet for diamantbehandling.

En af de andre store fordele ved denne tilgang er, at fjernelse af wolframmasken ikke kræver brug af hydrofluorsyremælk, som er en ekstremt farlig syre, der i øjeblikket er i brug. På grund af dette er sikkerheden og tilgængeligheden af diamantnanofabrikationsprocessen dramatisk forbedret.

For at forbedre omkostningerne og skalerbarheden lykkedes det holdet at dyrke enkeltkrystal diamantfotoniske strukturer med indlejrede kvantedefekter fra et polykrystallinsk substrat.

UTS-ph.d.-stipendiat Milad Nonahal er hovedforfatter på studiet, der er offentliggjort i Advanced Quantum Technologies.

“Så vidt vi ved, tilbyder vi det første bevis for væksten af en enkeltkrystal diamantstruktur fra et polykrystallinsk materiale ved hjælp af en bottom-up-tilgang – som at dyrke blomster fra frø,” tilføjede han.

UTS Dr. Mehran Kianinia er seniorforfatter på den anden studie.

“Vores metode eliminerer behovet for dyre diamantmateriale og brugen af ionimplantation, som er nøgle til at accelerere kommercialiseringsprocessen for diamantkvantehardware” sagde Kianinia.