De kleur in een diamant komt van een defect, of "vacature, " waar er een ontbrekend koolstofatoom in het kristalrooster is. Vacatures zijn al lang interessant voor elektronica-onderzoekers omdat ze kunnen worden gebruikt als 'kwantumknooppunten' of punten die een kwantumnetwerk vormen voor de overdracht van gegevens. Een van de manieren van het introduceren van een defect in een diamant is door het te implanteren met andere elementen, zoals stikstof, silicium, of blik. In een recente studie gepubliceerd in ACS Fotonica , wetenschappers uit Japan tonen aan dat lead-vacature centers in diamant de juiste eigenschappen hebben om als quantum nodes te functioneren. "Het gebruik van een zwaar groep IV-atoom zoals lood is een eenvoudige strategie om superieure spin-eigenschappen te realiseren bij verhoogde temperaturen, maar eerdere studies waren niet consistent in het nauwkeurig bepalen van de optische eigenschappen van leidende vacaturecentra, ", zegt universitair hoofddocent Takayuki Iwasaki van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), die de studie leidde.

De drie kritische eigenschappen die onderzoekers zoeken in een potentiële kwantumknoop zijn symmetrie, spin coherentie tijd, en nul fononlijnen (ZPL's), of elektronische overgangslijnen die geen invloed hebben op "fonons, " de quanta van kristalroostertrillingen. Symmetrie geeft inzicht in hoe spin (rotatiesnelheid van subatomaire deeltjes zoals elektronen), coherentie verwijst naar een identiekheid in de golfaard van twee deeltjes, en ZPL's beschrijven de optische kwaliteit van het kristal.

De onderzoekers fabriceerden de loodvacatures in diamant en onderwierpen het kristal vervolgens aan hoge druk en hoge temperatuur. Vervolgens bestudeerden ze de leidende vacatures met behulp van fotoluminescentiespectroscopie, een techniek waarmee je de optische eigenschappen kunt aflezen en de spin-eigenschappen kunt schatten. Ze ontdekten dat de lead-vacatures een soort tweevlakssymmetrie hadden, die geschikt is voor de constructie van kwantumnetwerken. Ze ontdekten ook dat het systeem een ​​grote "grondtoestandsplitsing, " een eigenschap die bijdraagt ​​aan de samenhang van het systeem. Tot slot, ze zagen dat de hogedrukbehandeling bij hoge temperatuur die ze op de kristallen toebrachten, de inhomogene verdeling van ZPL's onderdrukte door de schade aan het kristalrooster tijdens het implantatieproces te herstellen. Een eenvoudige berekening toonde aan dat loodvacatures een lange spincoherentietijd hadden bij een hogere temperatuur (9K) dan eerdere systemen met silicium- en tinvacatures.

"De simulatie die we in onze studie hebben gepresenteerd, lijkt te suggereren dat het leidende vacaturecentrum waarschijnlijk een essentieel systeem zal zijn voor het creëren van een kwantumlicht-materie-interface - een van de belangrijkste elementen bij de toepassing van kwantumnetwerken, " concludeert een optimistische Dr. Iwasaki.

Deze studie maakt de weg vrij voor de toekomstige ontwikkeling van grote (defecte) diamantwafels en dunne (defecte) diamantfilms met betrouwbare eigenschappen voor kwantumnetwerktoepassingen.