Gennembrudsforskning skal accelerere syntetisk diamant-baseret kvanteteknologi

To nye gennembrudsforskninger vil accelerere udviklingen af syntetisk diamant-baseret kvanteteknologi, som er sat 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 fabrikere den enkeltkrystalline diamantlag, der er mindre end en milliontedel af en meter, og anden, 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 offentliggjort i Nanoscale og Advanced Quantum Technologies. 

“For at diamant kan bruges i kvanteapplikationer, skal vi præcis ingeniøre ‘optiske fejl’ i diamantenhederne — huler og bølgeledere — for at kontrollere, manipulere og aflæse information i form af qubits — den kvanteversion af klassiske computerbits,” sagde professor Aharonovich.

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

Holdet kunne oprette éndimensionelle fotoniske krystalhuler ved at udvikle en ny hard maskemetode, der afhænger af et tyndt metalisk wolframlag til at mønstre diamantnanostrukturen.

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

“Brugen af wolfram som hard mask tilgår flere ulemper ved diamantfabrikation. Det fungerer som et ensartet begrænsende ledende lag for at forbedre anvendeligheden af elektronstråleteknik i nanoskala,” sagde Regan.

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

“Det tillader også overførslen af diamantenheder til substratet efter valg under normale forhold. Og processen kan yderligere automatiseres for at oprette modulære komponenter til diamant-baseret kvantefotonisk kredsløb,” fortsatte han.

Fordele ved Ny Tilgang

Det 30 nm brede wolframlag er omkring 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 hydrofluorsyrem, som er en ekstremt farlig syre, der i øjeblikket er i brug. På grund af dette forbedres sikkerheden og tilgængeligheden af diamantnanofabrikationsprocessen dramatisk.

For at forbedre omkostningerne og skalerbarheden lykkedes holdet at oprette enkeltkrystal diamantfotoniske strukturer med indlejrede kvante-fejl fra et polykristallint substrat.

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

“Til vores bedste viden tilbyder vi den første bevis for væksten af en enkeltkrystal diamantstruktur fra et polykristallint 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 diamantmaterialer og brugen af ionimplantation, som er nøgle til at accelerere kommercialiseringen af diamant kvantehardware” sagde Kianinia.