Baanbrekend onderzoek ingesteld om Quantum Tech op basis van synthetische diamanten te versnellen

Twee nieuwe onderzoeksdoorbraken zullen de ontwikkeling van op synthetische diamant gebaseerde kwantumtechnologie versnellen, die de schaalbaarheid zal verbeteren en de productiekosten drastisch zal verlagen. 

Hardware voor computers en mobiele telefoons is vaak afhankelijk van silicium, maar diamant heeft specifieke eigenschappen die het bruikbaar maken als basis voor kwantumtechnologieën zoals kwantumsupercomputers, veilige communicatie en sensoren. 

Er zijn twee grote belemmeringen voor deze aanpak. Ten eerste is het moeilijk om de single crystal diamantlaag te fabriceren, die kleiner is dan een miljoenste van een meter, en ten tweede zijn de kosten hoog.

Nieuwe onderzoeksdocumenten

Twee nieuwe onderzoekspapers van het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics aan de University of Technology Sydney (UTS) zijn onlangs gepubliceerd over deze kwesties. Het onderzoeksteam wordt geleid door professor Igor Aharonovich en de artikelen zijn gepubliceerd in nanoschaal en Geavanceerde kwantumtechnologieën. 

"Om diamant te gebruiken in kwantumtoepassingen, moeten we nauwkeurig 'optische defecten' in de diamantapparaten - holtes en golfgeleiders - construeren om informatie in de vorm van qubits - de kwantumversie van klassieke computerbits - te controleren, manipuleren en uitlezen." zei professor Aharonovich.

"Het is vergelijkbaar met het snijden van gaten of het snijden van geulen in een superdunne plaat diamant, om ervoor te zorgen dat licht in de gewenste richting reist en weerkaatst," vervolgde hij.

Het team was in staat om eendimensionale fotonische kristalholten te creëren door een nieuwe harde maskeringsmethode te ontwikkelen, die vertrouwt op een dunne metalen wolfraamlaag om de diamant nanostructuur van een patroon te voorzien. 

UTS-promovendus Blake Regan is hoofdauteur van de nanoschaal papier. 

“Het gebruik van wolfraam als hard masker lost verschillende nadelen van diamantfabricage op. Het fungeert als een uniforme beperkende geleidende laag om de levensvatbaarheid van elektronenbundellithografie met resolutie op nanoschaal te verbeteren, "zei Regan. 

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

“Het maakt ook de post-fabricage overdracht van diamant-apparaten op het gewenste substraat onder omgevingsomstandigheden mogelijk. En het proces kan verder worden geautomatiseerd om modulaire componenten te creëren voor op diamanten gebaseerde kwantumfotonische circuits, "vervolgde hij.

Voordelen van nieuwe aanpak

De 30 nm brede wolfraamlaag is ongeveer 10,000 keer dunner dan een mensenhaar. Desondanks maakte het een diamantets van meer dan 300 nm mogelijk, wat een recordselectiviteit is voor diamantbewerking. 

Een van de andere grote voordelen van deze aanpak is dat voor het verwijderen van het wolfraammasker geen gebruik van fluorwaterstofzuur nodig is, een extreem gevaarlijk zuur dat momenteel wordt gebruikt. Hierdoor wordt de veiligheid en toegankelijkheid van het nanofabricageproces van diamant drastisch verbeterd.

Om de kosten en schaalbaarheid te verbeteren, slaagde het team erin om fotonische structuren met één kristaldiamant te laten groeien met ingebedde kwantumdefecten uit een polykristallijn substraat.

UTS-promovendus Milad Nonahal is hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Geavanceerde kwantumtechnologieën. 

"Voor zover wij weten, bieden we het eerste bewijs van de groei van een enkele kristallijne diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal met behulp van een bottom-up benadering - zoals het kweken 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 van dure diamantmaterialen en het gebruik van ionenimplantatie, wat essentieel is om de commercialisering van diamantkwantumhardware te versnellen", zei Kianinia.