Durchbruch in der Forschung beschleunigt synthetische Diamant-basierte Quantentechnologie

Zwei neue Forschungsdurchbrüche werden die Entwicklung von synthetischen Diamant-basierten Quantentechnologien beschleunigen, die die Skalierbarkeit verbessern und die Herstellungskosten drastisch senken sollen.

Computer- und Mobiltelefon-Hardware basiert oft auf Silizium, aber Diamant hat bestimmte 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 einzelne Kristall-Diamant-Schicht 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 veröffentlicht.

“Um Diamant in Quantenanwendungen zu verwenden, müssen wir ‘optische Defekte’ in den Diamant-Geräten genau ingenieren – Kavitäten und Wellenleiter -, um Informationen in Form von Qubits – der Quanten-Version von klassischen Computer-Bits – 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 Diamant-Schicht, um sicherzustellen, dass das Licht in die gewünschte Richtung läuft und springt”, fuhr er fort.

Das Team konnte ein dimensionales photonisches Kristallkavität 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 der erste Autor der Nanoscale-Arbeit.

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

Laut Regan bietet das Team den ersten Beweis für das Wachstum einer einzelnen Kristall-Diamant-Struktur aus einem polykristallinen Material durch einen Bottom-up-Ansatz.

“Es ermöglicht auch den Transfer von Diamant-Geräten auf das Substrat der Wahl unter Umgebungsbedingungen. Und der Prozess kann weiter automatisiert werden, um modulare Komponenten für Diamant-basierte 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 eine Diamant-Ätzung von über 300 nm, was eine Rekord-Selektivität für die Diamant-Verarbeitung 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. Aufgrund dessen wird die Sicherheit und Zugänglichkeit des Diamant-Nanofabrikationsprozesses dramatisch verbessert.

Um die Kosten und Skalierbarkeit zu verbessern, konnte das Team einzelne Kristall-Diamant-Photonen-Strukturen mit eingebetteten Quanten-Defekten aus einem polykristallinen Substrat herstellen.

Der UTS-Doktorand Milad Nonahal ist der erste Autor der Studie, die in Advanced Quantum Technologies veröffentlicht wurde.

“Soweit wir wissen, bieten wir den ersten Beweis für das Wachstum einer einzelnen Kristall-Diamant-Struktur aus einem polykristallinen Material mithilfe eines Bottom-up-Ansatzes – ähnlich wie das Wachsen von Blumen aus Samen”, fügte er hinzu.

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

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