Gjennombruddsforskning som skal akselerere syntetisk diamantbasert kvanteteknologi

To nye gjennombrudd i forskningen vil akselerere utviklingen av syntetisk diamantbasert kvanteteknologi, som skal forbedre skalerbarheten og drastisk redusere produksjonskostnadene. 

Datamaskin- og mobiltelefonhardware avhenger ofte av silisium, men diamant har spesielle 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 fabrikkere enkeltkrystall diamantlag, som er mindre enn en milliondel av en meter, og for det andre er kostnadene 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 opp 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 kvanteapplikasjoner, må vi nøyaktig konstruere ‘optiske feil’ i diamantenehetene — 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 ellergrave i en super tynn ark diamant, for å sikre at lyset beveger seg og reflekterer i den ønskede retningen,” fortsatte han.

Gruppen klarte å lage en-dimensjonale fotonske krystalgaver 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 mask tar opp flere ulemper ved diamantfabrikasjon. Det fungerer som et uniformt begrensende ledende lag for å forbedre muligheten for elektronstrålelitografi i nanoskalaoppløsning,” sa Regan. 

Ifølge Regan tilbyr gruppen det første beviset for veksten av en enkeltkrystall diamantstruktur fra et polykristallint materiale gjennom en bottom-up-tilnærming. 

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

Fordelene med den nye tilnærmingen

Det 30 nm brede wolframlaget er omtrent 10 000 ganger tynnere enn et menneskehår. Likevel enablet det en diamantetsjerning på over 300 nm, som er en rekordselectivitet for diamantbehandling. 

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 gruppen å vokse enkeltkrystall diamantfotonske strukturer med innlejrede kvantefeil fra et polykristallint substrat.

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

“Så langt vi vet, tilbyr vi det første beviset for veksten av en enkeltkrystall diamantstruktur fra et polykristallint materiale ved hjelp av en bottom-up-tilnærming — som å vokse blomster fra frø,” la han til.

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

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