Doorbraak in onderzoek naar synthetische diamant-gebaseerde quantumtechnologie

Twee nieuwe doorbraken in het onderzoek zullen de ontwikkeling van synthetische diamant-gebaseerde quantumtechnologie versnellen, waardoor de schaalbaarheid verbeterd en de productiekosten aanzienlijk verlaagd worden.

Computer- en mobiele telefoonhardware zijn vaak afhankelijk van silicium, maar diamant heeft specifieke eigenschappen die het nuttig maken als basis voor quantumtechnologieën zoals quantumsupercomputers, beveiligde communicatie en sensoren.

Er zijn twee grote obstakels voor deze aanpak. Ten eerste is het moeilijk om een enkele kristal diamantlaag te fabriceren, die minder dan een miljoenste van een meter is, en ten tweede zijn de kosten hoog.

Nieuw onderzoek

Twee nieuwe onderzoeksartikelen van het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics aan de University of Technology Sydney (UTS) zijn onlangs gepubliceerd en richten zich op deze problemen. Het onderzoeksteam wordt geleid door professor Igor Aharonovich, en de artikelen zijn gepubliceerd in Nanoscale en Advanced Quantum Technologies.

“Om diamant te gebruiken in quantumtoepassingen, moeten we ‘optische defecten’ in de diamantapparaten precies engineeren – caviteiten en waveguides – om informatie in de vorm van qubits te controleren, manipuleren en uitlezen,” zei professor Aharonovich.

“Het is alsof je gaten of geulen in een superdunne laag diamant snijdt, om ervoor te zorgen dat licht in de gewenste richting reist en terugkaatst,” vervolgde hij.

Het team was in staat om een-dimensionale fotonic crystal caviteiten te creëren door een nieuwe harde maskermethode te ontwikkelen, die afhankelijk is van een dunne metalen wolfraamlaag om de diamantnanostructuur te patroon.

UTS-promovendus Blake Regan is de eerste auteur van de Nanoscale-artikel.

“Het gebruik van wolfraam als harde masker lost verschillende nadelen van diamantfabricage op. Het fungeert als een uniforme beperkende geleidende laag om de haalbaarheid van elektronenbundellithografie op nanoschaalresolutie te verbeteren,” zei Regan.

Volgens Regan biedt het team het eerste bewijs van de groei van een enkelkristal diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal via een bottom-upbenadering.

“Het stelt ons ook in staat om diamantapparaten na de fabricage over te brengen naar het substraat van keuze onder omgevingsomstandigheden. En het proces kan verder geautomatiseerd worden om modulaire componenten te creëren voor diamant-gebaseerde quantumfotonische schakelingen,” vervolgde hij.

Voordelen van de nieuwe benadering

De 30 nm brede wolfraamlaag is ongeveer 10.000 keer dunner dan een mensenhaar. Ondanks dit, maakte het een diamantetsing van meer dan 300 nm mogelijk, wat een recordselectiviteit is voor diamantverwerking.

Een van de andere grote voordelen van deze benadering is dat de verwijdering van de wolfraammasker geen gebruik van waterstoffluoridezuur vereist, een extreem gevaarlijk zuur dat momenteel in gebruik is. Hierdoor wordt de veiligheid en toegankelijkheid van het diamantnanofabricageproces aanzienlijk verbeterd.

Om de kosten en schaalbaarheid te verbeteren, slaagde het team erin om enkelkristal diamantfotonische structuren met ingebedde quantumdefecten te laten groeien vanuit een polykristallijn substraat.

UTS-promovendus Milad Nonahal is de eerste auteur van de studie die is gepubliceerd in Advanced Quantum Technologies.

“Voor zover wij weten, bieden wij het eerste bewijs van de groei van een enkelkristal diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal met een bottom-upbenadering – zoals het laten groeien van bloemen uit zaad,” voegde hij eraan toe.

UTS Dr. Mehran Kianinia is een senior auteur van de tweede studie.

“Onze methode elimineert de behoefte aan dure diamantmaterialen en het gebruik van ionenimplantatie, wat essentieel is om de commercialisering van diamantquantumhardware te versnellen” zei Kianinia.