Gjennombruddsforskning skal akselerere syntetisk diamantbasert kvanteteknologi

To nye forskningsgjennombrudd vil akselerere utviklingen av syntetisk diamantbasert kvanteteknologi, som skal forbedre skalerbarheten og dramatisk reducere produksjonskostnadene.

Datamaskin- og mobiltelefonhardware er ofte avhengig av silisium, men diamant har bestemte egenskaper som gjør den nyttig som basis for kvanteteknologier som kvantesuperdatamaskiner, sikre kommunikasjoner og sensorer.

Det finnes to store barrierer for denne tilnærmingen. Først er det vanskelig å fremstille den enkeltkrystallinske diamantlaget, som er mindre enn en milliondel av en meter, og andre, kostnadene er høye.

Nye Forskningsartikler

To nye forskningsartikler fra ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics ved University of Technology Sydney (UTS) har nylig blitt publisert og tar for seg disse problemene. Forskningsgruppen ledes av professor Igor Aharonovich, og artiklene er publisert i Nanoscale og Advanced Quantum Technologies.

“For at diamant skal kunne brukes i kvantetilpasninger, må vi nøyaktig konstruere ‘optiske feil’ i diamantenheter – kaviter og bølgeledere – for å kontrollere, manipulere og lese informasjon i form av qubits – den kvantemekaniske versjonen av klassiske datamaskinbiter,” sa professor Aharonovich.

“Det er lik å kutte hull eller grave gjel i en super tynn ark av diamant, for å sikre at lys reiser og bølger i den ønskede retningen,” fortsatte han.

Teamet var i stand til å lage en-dimensjonale fotonske krystalhuler ved å utvikle en ny hard maskemetode, som avhenger av et tynnt metallisk wolframlag for å mønster diamantnanostrukturen.

UTS-phd-kandidat Blake Regan er hovedforfatter av Nanoscale-artikkelen.

“Bruken av wolfram som hard masker tar for seg flere ulemper ved diamantproduksjon. Det fungerer som en jevn begrensning konduktivt lag for å forbedre muligheten for elektronstrålelitografi i nanoskalaoppløsning,” sa Regan.

Ifølge Regan tilbyr teamet det første beviset for veksten av en enkeltkrystallinsk diamantstruktur fra et polykristallinsk materiale gjennom en bottom-up-tilnærming.

“Det tillater også overføring av diamantenheter til substratet etter valg under ambiente forhold. Og prosessen kan videre automatiseres for å lage modulære komponenter for diamantbasert kvantefotonisk krets,” fortsatte han.

Fordelene med den nye tilnærmingen

Det 30 nm brede wolframlaget er omtrent 10 000 ganger tynnere enn et menneskehår. Likevel tillot det en diamantetsjing på over 300 nm, som er en rekord selektivitet for diamantprosessering.

En av de andre store fordelene med denne tilnærmingen er at fjerningen av wolframmasken ikke krever bruk av hydrofluorasyre, som er en ekstremt farlig syre som for tiden er i bruk. På grunn av dette er sikkerheten og tilgjengeligheten av diamantnanofabrikasjonsprosessen dramatisk forbedret.

For å forbedre kostnadene og skalerbarheten, klarte teamet å vokse enkeltkrystallinske diamantfotonske strukturer med innlejrede kvantefeil fra et polykristallinsk substrat.

UTS-phd-kandidat Milad Nonahal er hovedforfatter av studien som er publisert i Advanced Quantum Technologies.

“Til vår beste kunnskap, tilbyr vi det første beviset for veksten av en enkeltkrystallinsk diamantstruktur fra et polykristallinsk materiale ved hjelp av en bottom-up-tilnærming — som å dyrke blomster fra frø,” la han til.

UTS Dr. Mehran Kianinia er en seniorforfatter på den andre studien.

“Vår metode eliminerer behovet for dyre diamantmateriale og bruk av ionimplantasjon, som er nøkkel til å akselerere kommersialiseringen av diamantkvantehardware” sa Kianinia.