Läpimurto tutkimuksessa kiihdyttää synteettisen timantin perustuvan kvantti-teknologian kehitystä

Kahden uuden läpimurron ansiosta synteettisen timantin perustuvan kvantti-teknologian kehitys kiihtyy, mikä parantaa skaalautuvuutta ja vähentää merkittävästi valmistuskustannuksia. 

Tietokoneiden ja matkapuhelimien laitteistot perustuvat usein piihin, mutta timantilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka tekevät siitä hyödyllisen perustan kvantti-teknologioille, kuten kvantti-supertietokoneille, turvallisille viestintämenetelmille ja antureille. 

Tähän lähestymistapaan liittyy kaksi suurta esteitä. Ensinnäkin, yksittäisen timantin kristallikerroksen valmistus on vaikeaa, ja toiseksi, kustannukset ovat korkeat.

Uudet tutkimusartikkelit

Kaksi uutta tutkimusartikkelia, jotka ovat peräisin ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics -tutkimuskeskuksesta University of Technology Sydney (UTS) -yliopistosta, on julkaistu vastaamassa näihin haasteisiin. Tutkimusryhmää johtaa Professori Igor Aharonovich, ja artikkelit on julkaistu Nanoscale ja Advanced Quantum Technologies. 

“Jotta timantti voidaan käyttää kvantti-sovelluksissa, meidän on tarkalleen suunniteltava ‘valokvantit’ timanttilaitteissa — ontelot ja aaltojohtimet — ohjata, manipuloida ja lukea tietoa kvantti-bittien muodossa”, sanoi Professori Aharonovich.

“Se on kuin olisi leikattu reikiä tai kaivettu kuiluja erittäin ohueen timantin levyyn, jotta valo kulkee ja heijastuu halutussa suunnassa”, hän jatkoi.

Tutkimusryhmä onnistui luomaan yhden dimensionaalisia fotoni-kideonteloita kehittämällä uuden kovaa maskia, joka perustuu ohueen volframi-metallikerrokseen, jotta voidaan muotoilla timantin nano-rakenne. 

UTS:n tohtorikoulutettava Blake Regan on Nanoscale -artikkelin ensisijainen tekijä. 

“Volfraamin käyttö kovana maskina ratkaisee useita timantin valmistuksen ongelmia. Se toimii yhtenäisenä rajoittavana johtavana kerroksena, jotta voidaan parantaa elektronisäde-litografian käytettävyyttä nanotason resoluutiolla”, sanoi Regan. 

Reganin mukaan tutkimusryhmä esittää ensimmäisen todisteen yksittäisen timantin kristallirakenteen kasvattamisesta polykristalllisesta materiaalista alhaalta ylöspäin suuntautuvalla lähestymistavalla. 

“Se myös mahdollistaa timanttilaitteiden siirtämisen haluttuun alustaan normaaliolosuhteissa. Ja prosessi voidaan automatisoida edelleen, jotta voidaan luoda modulaarisia komponentteja timantin perustuville kvantti-valofotoni-piireille”, hän jatkoi.

Uuden lähestymistavan edut

30 nm leveä volframi-kerros on noin 10 000 kertaa ohuempi kuin ihmisen hiussuka. Huolimatta siitä, se mahdollisti yli 300 nm:n timantin etsauksen, mikä on ennätyksellinen valinta timantin prosessoinnissa. 

Yksi muista suurista eduista tässä lähestymistavassa on, että volframi-maskin poistaminen ei vaadi hydrofluorihapon käyttöä, joka on erittäin vaarallinen happo, jota käytetään tällä hetkellä. Tämän ansiosta timantin nano-valmistusprosessin turvallisuus ja saatavuus paranevat dramaattisesti.

Kustannuksien ja skaalautuvuuden parantamiseksi tutkimusryhmä onnistui kasvattamaan yksittäisen timantin fotoni-rakenteita, joissa on upotettuna kvantti-virheitä, polykristallisesta substraatista.

UTS:n tohtorikoulutettava Milad Nonahal on Advanced Quantum Technologies-tutkimuksen ensisijainen tekijä. 

“Parhaamme tietäen, me tarjoamme ensimmäisen todisteen yksittäisen timantin kristallirakenteen kasvattamisesta polykristallisesta materiaalista alhaalta ylöspäin suuntautuvalla lähestymistavalla — kuin kasvattaen kukkia siemenestä”, hän lisäsi.

UTS:n Dr. Mehran Kianinia on toisen tutkimuksen vanhempi tekijä. 

“Menetelmämme poistaa tarpeen kalliille timantti-materiaaleille ja ion-implantaatiolle, mikä on avain kvantti-laitteiden kaupallistamisen kiihdyttämiseen” Kianinia sanoi.