Door op diamanten gebaseerde nanodraadapparaten te maken, een team van Harvard heeft weer een stap gezet om toepassingen op basis van kwantumwetenschap en technologie mogelijk te maken.

Het nieuwe apparaat biedt een heldere, stabiele bron van enkele fotonen bij kamertemperatuur, een essentieel element om snel en veilig computergebruik met licht praktisch te maken.

De bevinding zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van nanogestructureerde diamantapparaten die geschikt zijn voor kwantumcommunicatie en computergebruik, evenals vooruitgangsgebieden variërend van biologische en chemische detectie tot wetenschappelijke beeldvorming.

Gepubliceerd in het nummer van 14 februari van Natuur Nanotechnologie, onderzoekers onder leiding van Marko Loncar, Universitair docent Elektrotechniek aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ontdekte dat de prestatie van een enkele fotonbron op basis van een lichtuitstralend defect (kleurcentrum) in diamant kan worden verbeterd door de diamant nanostructurerend te maken en het defect in een diamantnanodraad in te bedden.

wetenschappers, in feite, begon voor het eerst de eigenschappen van natuurlijke diamanten te exploiteren nadat ze hadden geleerd hoe de elektronenspin te manipuleren, of intrinsiek impulsmoment, geassocieerd met het stikstofvacature (NV) kleurcentrum van de edelsteen. De kwantumtoestand (qubit) kan worden geïnitialiseerd en gemeten met behulp van licht.

Het kleurcentrum "communiceert" door fotonen uit te zenden en te absorberen. De stroom van fotonen die door het kleurencentrum wordt uitgezonden, biedt een middel om de resulterende informatie te dragen, het maken van de controle, vastlegging, en opslag van fotonen die essentieel zijn voor elke vorm van praktische communicatie of berekening. Fotonen efficiënt verzamelen, echter, is moeilijk omdat kleurcentra diep in de diamant zijn ingebed.

"Dit is een groot probleem als je een kleurencentrum wilt koppelen en integreren in echte toepassingen, " legt Loncar uit. "Wat ontbrak was een interface die de nanowereld van een kleurencentrum verbindt met de macrowereld van optische vezels en lenzen."

Het diamanten nanodraadapparaat biedt een oplossing, een natuurlijke en efficiënte interface bieden om een ​​individueel kleurcentrum te onderzoeken, waardoor het helderder wordt en de gevoeligheid toeneemt. De resulterende verbeterde optische eigenschappen verhogen de fotonenverzameling met bijna een factor tien ten opzichte van natuurlijke diamantapparaten.

"Ons nanodraadapparaat kan de uitgezonden fotonen kanaliseren en op een handige manier sturen, " zegt hoofdauteur Tom Babinec, een afgestudeerde student aan SEAS.

Verder, de diamanten nanodraad is ontworpen om hindernissen te overwinnen die andere geavanceerde systemen hebben uitgedaagd, zoals die op basis van fluorescerende kleurstofmoleculen, kwantum stippen, en koolstofnanobuisjes - aangezien het apparaat gemakkelijk kan worden gerepliceerd en geïntegreerd met een verscheidenheid aan nano-gefreesde structuren.

De onderzoekers gebruikten een top-down nanofabricagetechniek om kleurcentra in verschillende machinale structuren in te bedden. Door grote apparaatarrays te maken in plaats van alleen 'one-of-a-kind'-ontwerpen, de realisatie van kwantumnetwerken en -systemen, die de integratie en manipulatie van veel apparaten parallel vereisen, is waarschijnlijker.

"We beschouwen dit als een belangrijke stap en een ondersteunende technologie naar meer praktische optische systemen op basis van dit opwindende materiaalplatform, ", zegt Loncar. "Om te beginnen met deze synthetische, nanogestructureerde diamantsteekproeven, we kunnen beginnen te dromen over de op diamanten gebaseerde apparaten en systemen die op een dag zouden kunnen leiden tot toepassingen in de kwantumwetenschap en -technologie, evenals in detectie en beeldvorming."