Genombrott inom forskning som ska accelerera syntetiska diamantbaserade kvantteknologier

Två nya forskningsgenombrott kommer att accelerera utvecklingen av syntetiska diamantbaserade kvantteknologier, som ska 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 det enskilda kristallskiktet av diamant, 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 behandlar 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 — håligheter 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 ut galler i ett super-tunt ark av diamant, för att säkerställa att ljus reser och studsar i önskad riktning”, fortsatte han.

Gruppen kunde skapa en-dimensionella fotoniska kristallhåligheter genom att utveckla en ny hård maskeringsmetod, som bygger på ett tunt metalliskt volframskikt för att mönsterdiamantnanostrukturen. 

UTS doktorand Blake Regan är huvudförfattare till Nanoscale -artikeln. 

“Användningen av volfram som hård mask tar itu med flera svagheter i diamanttillverkning. Det fungerar som ett enhetligt begränsande ledande skikt för att förbättra livskraften hos elektronstrålelitografi med nanoskaleupplösning”, sa Regan. 

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

“Det möjliggör också överföring av diamantenheter till underlaget efter tillverkning under normala förhållanden. Och processen kan ytterligare automatiseras för att skapa modulära komponenter för diamantbaserad kvantfotonicirkuit”, fortsatte han.

Fördelar med den nya metoden

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 metod är att borttagning 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 gruppen odla enkristallina diamantfotoniska strukturer med inbäddade kvantdefekter från ett polykristallint underlag.

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

“Såvitt vi vet erbjuder vi det första beviset för tillväxten av en enkristallin diamantstruktur från ett polykristallint material med en bottom-up-approach — som att odla blommor från frön”, tillade han.

UTS Dr. Mehran Kianinia är senior författare till den andra studien. 

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