合成ダイヤモンドベースの量子テクノロジーを加速するブレークスルー研究

2つの新しい研究ブレークスルーにより、合成ダイヤモンドベースの量子テクノロジーの開発が加速され、スケーラビリティが向上し、製造コストが大幅に削減される予定です。

コンピュータや携帯電話のハードウェアは、シリコンに依存していることが多いですが、ダイヤモンドには、量子コンピュータ、セキュア通信、センサーなどの量子テクノロジーに有用な特性があります。

しかし、このアプローチには2つの大きな障壁があります。まず、1ミリメートルの100万分の1以下のサイズの単結晶ダイヤモンド層を製造することが難しいことです。2つ目は、高コストであることです。

新しい研究論文

シドニー工科大学（UTS）のARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Opticsより、2つの新しい研究論文が発表されました。これらの論文は、Nanoscale と Advanced Quantum Technologies に掲載されています。研究チームは、イゴール・アハロノビッチ教授が率いています。

「ダイヤモンドを量子アプリケーションに使用するには、デバイス内の「光学的欠陥」、すなわちキャビティと波導を、キュービットの情報を制御、操作、読み出すために、正確にエンジニアリングする必要があります。キュービットは、クラシックコンピュータのビットの量子バージョンです」とアハロノビッチ教授は述べています。

「これは、超薄いダイヤモンドシートに穴をあけたり、溝を刻んだりすることと似ており、光が望ましい方向に移動し、反射することを保証する必要があります」と彼は続けています。

チームは、新しいハードマスキング方法を開発することで、一次元フォトニック結晶キャビティを作成しました。この方法は、ダイヤモンドナノ構造をパターン化するために、薄い金属のタングステン層を使用します。

UTSの博士課程の学生、ブレイク・リーガンは、Nanoscale 論文の第一著者です。

「タングステンをハードマスクとして使用することで、ダイヤモンド製造のいくつかの欠点を解決できます。タングステンは、ナノスケール解像度での電子ビームリソグラフィーの実現性を向上させる、均一な制限導電層として機能します」とリーガンは述べています。

リーガンによると、チームは、ボトムアップアプローチを使用して、多結晶材料から単結晶ダイヤモンド構造を成長させる最初の証拠を提供しています。

「これにより、ダイヤモンドデバイスを任意の基板に、常温常圧下で転送することが可能になります。さらに、プロセスを自動化して、ダイヤモンドベースの量子フォトニック回路のモジュラー部品を作成することができます」と彼は続けています。

新しいアプローチの利点

30nm幅のタングステン層は、人間の髪の毛の約10,000分の1の厚さです。にもかかわらず、300nm以上のダイヤモンドエッチングを可能にし、ダイヤモンド加工のレコードセレクティビティを達成しました。

このアプローチのもう1つの大きな利点は、タングステンマスクの除去に、非常に危険な酸であるフッ化水素酸を使用する必要がないことです。したがって、ダイヤモンドナノファブリケーションプロセスの安全性とアクセシビリティが大幅に向上します。

コストとスケーラビリティを向上させるために、チームは、多結晶基板から、量子欠陥を埋め込んだ単結晶ダイヤモンドフォトニック構造を成長させることに成功しました。

UTSの博士課程の学生、ミラード・ノナハルは、Advanced Quantum Technologies に掲載された研究の第一著者です。

「私たちの知る限りでは、ボトムアップアプローチを使用して、多結晶材料から単結晶ダイヤモンド構造を成長させる最初の証拠を提供しています。つまり、種から花を育てるようなものです」とノナハルは述べています。

UTSのドクター、メヘラン・キアニニアは、2番目の研究のシニア著者です。

「私たちの方法は、高価なダイヤモンド材料の必要性と、イオン注入の使用を排除することで、ダイヤモンド量子ハードウェアの商業化を加速します」とキアニニアは述べています。