Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van NV-gedoteerde monokristallijne nanodiamanten, slechts vier tot acht nanometer breed, die zouden kunnen dienen als componenten in kwantumcomputertechnologieën bij kamertemperatuur. Deze gedoteerde nanodiamanten zijn ook veelbelovend voor gebruik in sensoren met één foton en niet-toxische, fluorescerende biomarkers.

Momenteel, computers gebruiken binaire logica, waarin elke binaire eenheid - of bit - zich in een van twee toestanden bevindt:1 of 0. Quantum computing maakt gebruik van superpositie en verstrengeling, waardoor de creatie van kwantumbits - of qubits - mogelijk is, die een groot aantal mogelijke toestanden kunnen hebben. Quantum computing heeft het potentieel om de rekenkracht en snelheid aanzienlijk te vergroten.

Er zijn een aantal opties onderzocht voor het creëren van quantumcomputersystemen, inclusief het gebruik van diamanten met "stikstof-leegstand" centra. Dat is waar dit onderzoek om de hoek komt kijken.

Normaal gesproken, diamant heeft een zeer specifieke kristallijne structuur, bestaande uit herhaalde diamanten tetraëders, of kubussen. Elke kubus bevat vijf koolstofatomen. Het onderzoeksteam van de NC State heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van diamanttetraëders met twee koolstofatomen; een vacature, waar een atoom ontbreekt; één koolstof-13-atoom (een stabiele koolstofisotoop met zes protonen en zeven neutronen); en één stikstofatoom. Dit wordt het NV-centrum genoemd. Elke met NV gedoteerde nanodiamant bevat duizenden atomen, maar heeft slechts één NV-centrum; de rest van de tetraëders in de nanodiamant zijn uitsluitend gemaakt van koolstof.

Het is een atomair klein verschil, maar het maakt een groot verschil.

"Dat kleine puntje, het NV-centrum, verandert de nanodiamant in een qubit, " zegt Jay Narayan, de John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering bij NC State en hoofdauteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "Elk NV-centrum heeft twee overgangen:NV0 en NV-. We kunnen heen en weer gaan tussen deze twee toestanden met behulp van elektrische stroom of laser. Deze nanodiamanten kunnen dienen als de basisbouwstenen van een kwantumcomputer."

Om deze NV-gedoteerde nanodiamanten te maken, de onderzoekers beginnen met een substraat, zoals saffier, glas of een plastic polymeer. Het substraat wordt vervolgens gecoat met amorfe koolstof - elementaire koolstof die, in tegenstelling tot grafiet of diamant, heeft geen vaste goed gedefinieerde kristallijne structuur. Terwijl de film van amorfe koolstof wordt afgezet, de onderzoekers bombarderen het met stikstofionen en koolstof-13-ionen. De koolstof wordt vervolgens geraakt met een laserpuls die de temperatuur van de koolstof verhoogt tot ongeveer 4, 000 Kelvin (of ongeveer 3, 727 graden Celsius) en wordt vervolgens snel geblust. De operatie is binnen een miljoenste van een seconde voltooid en vindt plaats bij één atmosfeer - dezelfde druk als de omringende lucht. Door verschillende substraten te gebruiken en de duur van de laserpuls te veranderen, de onderzoekers kunnen bepalen hoe snel de koolstof afkoelt, waarmee ze de nanodiamantstructuren kunnen maken.

"Onze aanpak vermindert onzuiverheden; regelt de grootte van de NV-gedoteerde nanodiamant; stelt ons in staat om de nanodiamanten met een behoorlijke hoeveelheid precisie te plaatsen; en neemt rechtstreeks koolstof-13 op in het materiaal, die nodig is voor het creëren van de verstrengeling die nodig is in quantum computing, " zegt Narayan. "Alle nanodiamanten zijn precies uitgelijnd door het paradigma van domeinovereenkomstige epitaxie, wat een aanzienlijke vooruitgang is ten opzichte van bestaande technieken voor het maken van NV-gedoteerde nanodiamanten."

"De nieuwe techniek biedt niet alleen ongekende controle en uniformiteit in de NV-gedoteerde nanodiamanten, het is ook minder duur dan bestaande technieken, " zegt Narayan. "Hopelijk, dit zal aanzienlijke vooruitgang mogelijk maken op het gebied van quantum computing."

De onderzoekers zijn momenteel in gesprek met groepen van de overheid en de particuliere sector over hoe verder te gaan. Een van de interessegebieden is het ontwikkelen van een manier om zelfassemblerende systemen te creëren die verstrengelde NV-gedoteerde nanodiamanten bevatten voor kwantumcomputers.

De krant, "Nieuwe synthese en eigenschappen van pure en NV-gedoteerde nanodiamanten en andere nanostructuren, " is gepubliceerd in het tijdschrift Brieven voor materiaalonderzoek .