Baanbrekend onderzoek om synthetische diamant-gebaseerde quantumtechnologie te versnellen

Twee nieuwe doorbraken in het onderzoek zullen de ontwikkeling van synthetische diamant-gebaseerde quantumtechnologie versnellen, die de schaalbaarheid moet verbeteren en de productiekosten drastisch moet verlagen.

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

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

Nieuwe onderzoeksartikelen

Twee nieuwe onderzoeksartikelen van het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics aan de University of Technology Sydney (UTS) zijn onlangs gepubliceerd en behandelen 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 precisie-engineeren – holtes en golfgeleiders – om informatie te controleren, manipuleren en uitlezen in de vorm van qubits – de quantumversie van klassieke computerbits,” zei Professor Aharonovich.

“Het is vergelijkbaar met het maken van gaten of het uithollen van een superdunne diamantplaat, om ervoor te zorgen dat licht in de gewenste richting reist en terugkaatst,” vervolgde hij.

Het team kon een-dimensionale fotonische kristalholtes creëren door een nieuwe harde maskermethode te ontwikkelen, die afhankelijk is van een dunne metalen wolframlaag om de diamantnanostructuur te patroon.

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

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

Volgens Regan biedt het team de eerste bewijs van de groei van een enkelkristallijne diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal via een bottom-up-benadering.

“Het stelt ons ook in staat om diamantapparaten 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 wolframlaag is ongeveer 10.000 keer dunner dan een mensenhaar. Ondanks dit, maakte het een diamantets van meer dan 300 nm mogelijk, wat een recordselectiviteit is voor diamantverwerking.

Een van de andere grote voordelen van deze benadering is dat het verwijderen van de wolframmaske geen gebruik van waterstoffluoridezuur vereist, dat een extreem gevaarlijk zuur is 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 enkelkristallijne 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 enkelkristallijne diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal met een bottom-up-benadering – 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 noodzaak voor dure diamantmaterialen en het gebruik van ionenimplantatie, wat essentieel is om de commercialisering van diamantquantumhardware te versnellen” zei Kianinia.