Op chemisch vlak is diamanten zijn niet meer dan koolstofatomen uitgelijnd in een nauwkeurige, driedimensionaal (3-D) kristalrooster. Echter, zelfs een ogenschijnlijk onberispelijke diamant bevat gebreken:plekken in dat rooster waar een koolstofatoom ontbreekt of is vervangen door iets anders. Sommige van deze defecten zijn zeer wenselijk; ze vangen individuele elektronen op die licht kunnen absorberen of uitstralen, waardoor de verschillende kleuren in diamanten edelstenen en, belangrijker, het creëren van een platform voor diverse kwantumtechnologieën voor geavanceerd computergebruik, veilige communicatie en nauwkeurige detectie.

Kwantumtechnologieën zijn gebaseerd op eenheden van kwantuminformatie die bekend staan ​​als 'qubits'. De spin van elektronen zijn uitstekende kandidaten om als qubits te dienen; in tegenstelling tot binaire computersystemen waar gegevens de vorm aannemen van alleen nullen of enen, elektronenspin kan informatie weergeven als 0, 1, of beide tegelijk in een kwantumsuperpositie. Qubits uit diamanten zijn van bijzonder belang voor kwantumwetenschappers omdat hun kwantummechanische eigenschappen, inclusief superpositie, bestaan ​​bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot veel andere potentiële kwantumbronnen.

De praktische uitdaging om informatie te verzamelen van een enkel atoom diep in een kristal is een enorme uitdaging, echter. Penn Engineers hebben dit probleem aangepakt in een recent onderzoek waarin ze een manier bedachten om het oppervlak van een diamant te modelleren waardoor het gemakkelijker wordt om licht van de defecten binnenin te verzamelen. Een metalens genoemd, deze oppervlaktestructuur bevat kenmerken op nanoschaal die het door de defecten uitgestraalde licht buigen en focussen, ondanks dat het effectief vlak is.

Het onderzoek werd geleid door Lee Bassett, Universitair docent bij de afdeling Electrical and Systems Engineering, afgestudeerde student Tzu-Yung Huang, en postdoctoraal onderzoeker Richard Grote van het laboratorium van Bassett.

Extra Bassett Lab-leden David Hopper, Annemarie Exarhos en Garrett Kaighn hebben bijgedragen aan het werk, net als Gerard Lopez, directeur van Business Development bij het Singh Center for Nanotechnology, en twee leden van het Amsterdam Centre for Nanophotonics, Sander Mann en Erik Garnett.

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De sleutel tot het benutten van de potentiële kracht van kwantumsystemen is het kunnen creëren of vinden van structuren waarmee elektronenspin op betrouwbare wijze kan worden gemanipuleerd en gemeten, een moeilijke taak gezien de kwetsbaarheid van kwantumtoestanden.

Het lab van Bassett benadert deze uitdaging vanuit een aantal richtingen. Onlangs, het lab ontwikkelde een kwantumplatform op basis van een tweedimensionaal (2-D) materiaal genaamd hexagonaal boornitride dat, door zijn extreem dunne afmetingen, zorgt voor een gemakkelijkere toegang tot elektronenspins. In de huidige studie, het team keerde terug naar een 3D-materiaal dat natuurlijke onvolkomenheden bevat met een groot potentieel voor het beheersen van elektronenspins:diamanten.

Kleine defecten in diamanten, zogenaamde stikstof-leegstand (NV) centra, waarvan bekend is dat ze elektronenspins herbergen die bij kamertemperatuur kunnen worden gemanipuleerd, in tegenstelling tot veel andere kwantumsystemen die temperaturen vereisen die het absolute nulpunt naderen. Elk NV-centrum zendt licht uit dat informatie geeft over de kwantumtoestand van de spin.

Bassett legt uit waarom het belangrijk is om zowel 2D- als 3D-wegen in kwantumtechnologie te overwegen:

"De verschillende materiaalplatforms bevinden zich op verschillende niveaus van ontwikkeling, en ze zullen uiteindelijk nuttig zijn voor verschillende toepassingen. Defecten in 2D-materialen zijn bij uitstek geschikt voor nabijheidsdetectie op oppervlakken, en ze kunnen uiteindelijk goed zijn voor andere toepassingen, zoals geïntegreerde kwantumfotonische apparaten, " zegt Bassett. "Op dit moment, echter, het Diamond NV-centrum is gewoon het beste platform voor de verwerking van kwantuminformatie op kamertemperatuur. Het is ook een toonaangevende kandidaat voor het bouwen van grootschalige kwantumcommunicatienetwerken."

Tot dusver, het is alleen mogelijk geweest om de combinatie van gewenste kwantumeigenschappen die nodig zijn voor deze veeleisende toepassingen te bereiken met behulp van NV-centra die diep in bulk 3D-kristallen van diamant zijn ingebed.

Helaas, die diep ingebedde NV-centra kunnen moeilijk toegankelijk zijn, omdat ze zich niet direct op het oppervlak van de diamant bevinden. Het verzamelen van licht van die moeilijk bereikbare defecten vereist meestal een omvangrijke optische microscoop in een sterk gecontroleerde laboratoriumomgeving. Het team van Bassett wilde een betere manier vinden om licht van NV-centra te verzamelen, een doel dat ze konden bereiken door een gespecialiseerde metalens te ontwerpen die de behoefte aan een grote, dure microscoop.

"We hebben het concept van een meta-oppervlak gebruikt om een ​​structuur op het oppervlak van diamant te ontwerpen en te fabriceren die werkt als een lens om fotonen te verzamelen van een enkele qubit in diamant en ze in een optische vezel te leiden, terwijl dit voorheen een grote, vrije-ruimte optische microscoop, " zegt Bassett. "Dit is een eerste belangrijke stap in onze grotere inspanning om compacte kwantumapparaten te realiseren waarvoor geen ruimte vol elektronica en optische componenten in de vrije ruimte nodig is."

Meta-oppervlakken bestaan ​​uit ingewikkelde, patronen op nanoschaal die fysieke verschijnselen kunnen bereiken die anders onmogelijk zijn op macroschaal. De metalens van de onderzoekers bestaat uit een veld van pilaren, elk 1 micrometer hoog en 100-250 nanometer in diameter, zo gerangschikt dat ze het licht focussen als een traditionele gebogen lens. Geëtst op het oppervlak van de diamant en uitgelijnd met een van de NV-centra binnenin, de metalens geleidt het licht dat de spintoestand van het elektron vertegenwoordigt, rechtstreeks naar een optische vezel, het stroomlijnen van het gegevensverzamelingsproces.

"De werkelijke metalens is ongeveer 30 micron breed, dat is ongeveer de diameter van een haarlok. Als je kijkt naar het stuk diamant waarop we het hebben gefabriceerd, je kunt het niet zien. hoogstens, je kon een donkere spikkel zien, ", zegt Huang. "We denken bij lenzen meestal aan scherpstellen of collimeren, maar, met een metastructuur, we hebben de vrijheid om elk soort profiel te ontwerpen dat we willen. Het geeft ons de vrijheid om het emissiepatroon of het profiel van een kwantumemitter aan te passen, zoals een NV-centrum, wat niet kan, of erg moeilijk is, met vrije-ruimteoptiek."

Om hun metalens te ontwerpen, Basset, Huang en Grote moesten een team samenstellen met een breed scala aan kennis, van kwantummechanica tot elektrotechniek tot nanotechnologie. Bassett crediteert het Singh Center for Nanotechnology als een cruciale rol in hun vermogen om de metalens fysiek te construeren.

"Nanofabricage was een belangrijk onderdeel van dit project, ", zegt Bassett. "We moesten lithografie met hoge resolutie en nauwkeurig etsen bereiken om een ​​reeks diamanten nanopilaren te fabriceren op lengteschalen die kleiner zijn dan de golflengte van licht. Diamant is een uitdagend materiaal om te verwerken, en het was Richards toegewijde werk in het Singh Center dat deze mogelijkheid mogelijk maakte. We hadden ook het geluk om te profiteren van het ervaren cleanroompersoneel. Gerald heeft ons geholpen om de technieken voor elektronenstraallithografie te ontwikkelen. We hadden ook hulp van Meredith Metzler, de Thin Film Area Manager bij het Singh Center, bij de ontwikkeling van de diamantets."

Hoewel nanofabricage zijn uitdagingen met zich meebrengt, de flexibiliteit die wordt geboden door metasurface-engineering biedt belangrijke voordelen voor real-world toepassingen van kwantumtechnologie:

"We hebben besloten om het licht van NV-centra te collimeren om naar een optische vezel te gaan, omdat het gemakkelijk kan worden gekoppeld aan andere technieken die het afgelopen decennium zijn ontwikkeld voor compacte glasvezeltechnologieën, Huang zegt. "De compatibiliteit met andere fotonische structuren is ook belangrijk. Er kunnen andere structuren zijn die u op de diamant wilt aanbrengen, en onze metalens sluit die andere optische verbeteringen niet uit."

Deze studie is slechts een van de vele stappen op weg naar het doel om kwantumtechnologie te comprimeren tot efficiëntere systemen. Het laboratorium van Bassett is van plan om te blijven onderzoeken hoe het kwantumpotentieel van 2D- en 3D-materialen het beste kan worden benut.

"Het gebied van kwantumtechnologie vordert nu snel, grotendeels dankzij de convergentie van ideeën en expertise uit vele disciplines, waaronder natuurkunde, materiaal kunde, fotonica en elektronica, ", zegt Bassett. "Penn Engineering blinkt uit in al deze gebieden, dus we kijken uit naar nog veel meer vorderingen in de toekomst. uiteindelijk, we willen deze technologie van het laboratorium naar de echte wereld brengen, waar het een impact kan hebben op ons dagelijks leven."