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し、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。

コンピューターとモバイルフォンのハードウェアは、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、量子コンピューター、セキュアな通信、センサーなどの量子テクノロジーに役立つ特定の特性があります。

このアプローチには2つの大きな障害があります。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から出た2つの新しい研究論文が最近発表され、これらの問題に対処しています。研究チームはイゴール・アハロノビッチ教授が率いており、論文はナノスケールとアドバンスト・クォンタム・テクノロジーに掲載されています。

「ダイヤモンドを量子アプリケーションに使用するには、ダイヤモンドデバイスの「光学的欠陥」を正確に設計する必要があります。キャビティとウェーブガイドを設計して、キュービットの情報を制御、操作、読み出す必要があります」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ること、または溝を刻むことと同じです。光が望ましい方向に移動し、反射することを保証するためです」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、1次元のフォトニック結晶キャビティを作成しました。この方法では、ダイヤモンドナノ構造をパターン化するために薄い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、ナノスケール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消できます。均一な導電性層として作用し、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、多結晶材料から単結晶ダイヤモンド構造を成長させることを初めて実証しました。ボトムアップ・アプローチを使用して成長させました。

「また、ダイヤモンドデバイスを任意の基板に転送できるようにします。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・コンポーネントを作成できます」と彼は続けています。

新しいアプローチの利点

30ナノメートルのタングステン層は、人間の髪の毛の太さの約10,000分の1です。にもかかわらず、300ナノメートル以上のダイヤモンドエッチングを可能にしました。これは、ダイヤモンド加工の選択性の新記録です。

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水フッ化物酸を使用する必要がないことです。水フッ化物酸は現在使用されている非常に危険な酸です。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改善されます。

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、多結晶基板から埋め込まれた量子欠陥を備えた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、アドバンスト・クォンタム・テクノロジー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、多結晶材料からボトムアップ・アプローチを使用して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。種から花を育てるように成長させました」と彼は述べています。

UTSのメヘラン・キアニニア博士は、2番目の研究の共同著者です。

「私たちの方法は、高価なダイヤモンド材料とイオン注入の使用の必要性を排除し、ダイヤモンド量子ハードウェアの商業化を加速する鍵となります」とキアニニアは述べています。