Durchbruch in der Forschung beschleunigt synthetisch-diamantbasierte Quantentechnologie

Zwei neue Forschungsdurchbrüche werden die Entwicklung von synthetisch-diamantbasierter Quantentechnologie beschleunigen, die darauf abzielt, die Skalierbarkeit zu verbessern und die Herstellungskosten drastisch zu reduzieren. 

Computer- und Mobiltelefon-Hardware basiert oft auf Silizium, aber Diamant hat spezifische Eigenschaften, die ihn als Basis für Quantentechnologien wie Quanten-Supercomputer, sichere Kommunikation und Sensoren nützlich machen. 

Es gibt zwei große Hindernisse für diesen Ansatz. Erstens ist es schwierig, die Einkristall-Diamantschicht herzustellen, die weniger als ein Millionstel Meter misst, und zweitens sind die Kosten hoch.

Neue Forschungsarbeiten

Zwei neue Forschungsarbeiten aus dem ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics an der University of Technology Sydney (UTS) wurden kürzlich veröffentlicht und behandeln diese Probleme. Das Forschungsteam wird von Professor Igor Aharonovich geleitet, und die Arbeiten wurden in Nanoscale und Advanced Quantum Technologies. 

“Um Diamant in Quantenanwendungen zu verwenden, müssen wir ‘optische Defekte’ in den Diamantgeräten – Kavitäten und Wellenleiter – präzise einbauen, um Informationen in Form von Qubits – der Quantenversion der klassischen Computerbits – zu steuern, zu manipulieren und auszulesen”, sagte Professor Aharonovich.

“Es ist ähnlich wie das Ausstanzen von Löchern oder das Ausmeißeln von Rinnen in einer sehr dünnen Diamantschicht, um sicherzustellen, dass das Licht in die gewünschte Richtung läuft und springt”, fuhr er fort.

Das Team konnte eindimensionale photonische Kristallkavitäten durch die Entwicklung einer neuen Hartmaske-Methode erstellen, die auf einer dünnen metallischen Wolfram-Schicht basiert, um die Diamant-Nanostruktur zu mustern. 

Der UTS-Doktorand Blake Regan ist Erstautor der Nanoscale -Arbeit. 

“Die Verwendung von Wolfram als Hartmaske behebt mehrere Nachteile der Diamantfertigung. Es dient als einheitliche, leitfähige Schicht, um die Viabilität der Elektronenstrahl-Lithographie bei nanoskaliger Auflösung zu verbessern”, sagte Regan. 

Laut Regan bietet das Team den ersten Beweis für das Wachstum einer Einkristall-Diamantstruktur aus einem polykristallinen Material durch einen Bottom-up-Ansatz. 

“Es ermöglicht auch den Transfer von Diamantgeräten auf das Substrat der Wahl unter Umgebungsbedingungen. Und der Prozess kann weiter automatisiert werden, um modulare Komponenten für diamantbasierte Quanten-Photonik-Schaltkreise zu erstellen”, fuhr er fort.

Vorteile des neuen Ansatzes

Die 30 nm breite Wolfram-Schicht ist etwa 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Trotzdem ermöglichte sie ein Diamant-Ätzen von über 300 nm, was eine Rekordselektivität für die Diamantverarbeitung darstellt. 

Einer der anderen großen Vorteile dieses Ansatzes ist, dass die Entfernung der Wolfram-Maske nicht die Verwendung von Fluorwasserstoff-Säure erfordert, die eine extrem gefährliche Säure ist, die derzeit verwendet wird. Durch diese Änderung wird die Sicherheit und Zugänglichkeit des Diamant-Nanofertigungsprozesses dramatisch verbessert.

Um die Kosten und Skalierbarkeit zu verbessern, gelang es dem Team, Einkristall-Diamant-Photonen-Strukturen mit eingebetteten Quanten-Defekten aus einem polykristallinen Substrat zu wachsen.

Der UTS-Doktorand Milad Nonahal ist Erstautor der Studie, die in Advanced Quantum Technologies. 

“Soweit wir wissen, bieten wir den ersten Beweis für das Wachstum einer Einkristall-Diamantstruktur aus einem polykristallinen Material durch einen Bottom-up-Ansatz – wie das Wachsen von Blumen aus Samen”, fügte er hinzu.

UTS Dr. Mehran Kianinia ist ein Senior-Autor der zweiten Studie. 

“Unsere Methode eliminiert die Notwendigkeit teurer Diamantmaterialien und der Verwendung von Ionenimplantation, was der Schlüssel zur Beschleunigung der Kommerzialisierung von Diamant-Quanten-Hardware ist” sagte Kianinia.