Genombrott inom forskning som ska accelerera syntetisk diamantbaserad kvantteknologi

Två nya forskningsgenombrott kommer att accelerera utvecklingen av syntetisk diamantbaserad kvantteknologi, vilket kommer att förbättra skalbarheten och drastiskt minska tillverkningskostnaderna. 

Dator- och mobiltelefonhårdvara är ofta beroende av kisel, men diamant har specifika egenskaper som gör den användbar som bas för kvantteknologier som kvantsuperdatorer, säkra kommunikationer och sensorer. 

Det finns två stora hinder för denna approach. Först är det svårt att tillverka den enskilda kristallina diamantskiktet, som är mindre än en miljondel av en meter, och för det andra är kostnaderna höga.

Nya forskningsartiklar

Två nya forskningsartiklar från ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics vid University of Technology Sydney (UTS) har nyligen publicerats och tar upp dessa frågor. Forskningsgruppen leds av professor Igor Aharonovich, och artiklarna publicerades i Nanoscale och Advanced Quantum Technologies. 

“För att diamant ska kunna användas i kvanttillämpningar måste vi exakt konstruera ‘optiska defekter’ i diamantenheter — kaviter och vågledare — för att kontrollera, manipulera och läsa ut information i form av qubit — den kvantversionen av klassiska datorbitar”, sa professor Aharonovich.

“Det är liknande att skära hål eller mejsla gropar i en mycket tunn diamantskiva, för att säkerställa att ljuset reser och studsar i önskad riktning”, fortsatte han.

Teamet kunde skapa en-dimensionella fotoniska kristallkaviter genom att utveckla en ny hård maskmetod, som bygger på ett tunt metalliskt volframskikt för att mönsterdiamantnanostrukturen. 

UTS-doktoranden Blake Regan är huvudförfattare till Nanoscale-artikeln. 

“Användningen av volfram som hård mask åtgärdar flera nackdelar med diamanttillverkning. Det fungerar som en enhetlig begränsande ledande skikt för att förbättra livskraften hos elektronstråleteknik i nanoskalaupplösning”, sa Regan. 

Enligt Regan erbjuder teamet det första beviset för tillväxten av en enskild kristallin diamantstruktur från ett polykristallint material genom en bottom-up-approach. 

“Det tillåter också överföring av diamantenheter till valfri substrat under ambienta förhållanden. Och processen kan ytterligare automatiseras för att skapa modulära komponenter för diamantbaserad kvantfotonicirkuit”, fortsatte han.

Fördelar med ny approach

Det 30 nm breda volframlagret är cirka 10 000 gånger tunnare än ett mänskligt hår. Trots detta möjliggjorde det en diamantetsning på över 300 nm, vilket är en rekordhög selektivitet för diamantbearbetning. 

En av de andra stora fördelarna med denna approach är att borttagningen av volframmasken inte kräver användning av fluorvätesyra, som är en extremt farlig syra som för närvarande används. På grund av detta förbättras säkerheten och tillgängligheten för diamantnanofabriceringsprocessen dramatiskt.

För att förbättra kostnaden och skalbarheten lyckades teamet odla enskilda kristallina diamantfotoniska strukturer med inbäddade kvantdefekter från ett polykristallint substrat.

UTS-doktoranden Milad Nonahal är huvudförfattare till studien som publicerats i Advanced Quantum Technologies. 

“Så vitt vi vet erbjuder vi det första beviset för tillväxten av en enskild kristallin diamantstruktur från ett polykristallint material med en bottom-up-approach — liknande att odla blommor från frön”, tillade han.

UTS Dr. Mehran Kianinia är seniorförfattare till den andra studien. 

“Vår metod eliminerar behovet av dyra diamantmaterial och användning av jonimplantation, vilket är nyckeln till att accelerera kommersialiseringen av diamantbaserad kvanthårdvara” sa Kianinia.