Marilyn Monroe zong beroemd dat diamanten de beste vriend van een meisje zijn, maar ze zijn ook erg populair bij kwantumwetenschappers - met twee nieuwe onderzoeksdoorbraken die klaar staan ​​om de ontwikkeling van op synthetische diamant gebaseerde kwantumtechnologie te versnellen, schaalbaarheid verbeteren, en de productiekosten drastisch te verlagen.

Terwijl silicium traditioneel wordt gebruikt voor hardware voor computers en mobiele telefoons, diamant heeft unieke eigenschappen die het bijzonder nuttig maken als basis voor opkomende kwantumtechnologieën zoals kwantumsupercomputers, veilige communicatie en sensoren.

Er zijn echter twee belangrijke problemen; kosten, en moeilijkheid bij het vervaardigen van de monokristallijne diamantlaag, die kleiner is dan een miljoenste van een meter.

Een onderzoeksteam van het ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optics aan de University of Technology Sydney (UTS), onder leiding van professor Igor Aharonovich, heeft zojuist twee onderzoekspapers gepubliceerd, in nanoschaal en Geavanceerde kwantumtechnologieën , die deze uitdagingen aangaan.

"Om diamant te gebruiken in kwantumtoepassingen, we moeten 'optische defecten' in de diamantapparaten - holtes en golfgeleiders - nauwkeurig construeren om te controleren, informatie manipuleren en uitlezen in de vorm van qubits - de kwantumversie van klassieke computerbits, " zei professor Aharonovich.

"Het is vergelijkbaar met het snijden van gaten of het snijden van geulen in een superdunne plaat diamant, om ervoor te zorgen dat het licht in de gewenste richting reist en weerkaatst, " hij zei.

Om de "ets"-uitdaging te overwinnen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe harde maskeermethode, die een dunne metalen wolfraamlaag gebruikt om de nanostructuur van diamant te vormen, waardoor het creëren van eendimensionale fotonische kristalholten mogelijk wordt.

"Het gebruik van wolfraam als hard masker pakt verschillende nadelen van diamantfabricage aan. Het werkt als een uniforme beperkende geleidende laag om de levensvatbaarheid van elektronenstraallithografie met een resolutie op nanoschaal te verbeteren, " zei hoofdauteur van papier in Nanoscale, UTS Ph.D. kandidaat Blake Regan.

Voor zover wij weten, we bieden het eerste bewijs van de groei van een monokristallijne diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal met behulp van een bottom-upbenadering - zoals het kweken van bloemen uit zaad.

"Het maakt ook de post-fabricage overdracht van diamantapparaten op het substraat naar keuze onder omgevingsomstandigheden mogelijk. En het proces kan verder worden geautomatiseerd, om modulaire componenten te maken voor op diamanten gebaseerde kwantumfotonische circuits, " hij zei.

De wolfraamlaag is 30 nm breed - ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar, maar het maakte een diamantets van meer dan 300 nm mogelijk, een recordselectiviteit voor diamantverwerking.

Een bijkomend voordeel is dat voor het verwijderen van het wolfraammasker geen fluorwaterstofzuur nodig is - een van de gevaarlijkste zuren die momenteel in gebruik zijn - dus dit verbetert ook de veiligheid en toegankelijkheid van het diamantnanofabricageproces aanzienlijk.

Om de kwestie van de kosten aan te pakken, en de schaalbaarheid verbeteren, het team ontwikkelde verder een innovatieve stap om fotonische structuren van enkelkristaldiamanten met ingebedde kwantumdefecten uit een polykristallijn substraat te laten groeien.

"Ons proces is gebaseerd op goedkopere grote polykristallijne diamant, die beschikbaar is als grote wafels, in tegenstelling tot de traditioneel gebruikte eenkristaldiamant van hoge kwaliteit, die beperkt is tot enkele mm2", aldus UTS-promovendus Milad Nonahal, hoofdauteur van de studie in Geavanceerde kwantumtechnologieën .

"Voor zover wij weten, we bieden het eerste bewijs van de groei van een monokristallijne diamantstructuur uit een polykristallijn materiaal met behulp van een bottom-upbenadering - zoals het kweken van bloemen uit zaad, " hij voegde toe.

"Onze methode elimineert de noodzaak van dure diamantmaterialen en het gebruik van ionenimplantatie, wat de sleutel is tot het versnellen van de commercialisering van diamanten kwantumhardware", zegt UTS Dr. Mehran Kianinia, een senior auteur op de tweede studie.

"Nanofabricage van hoge Q, overdraagbare diamanten resonatoren" is gepubliceerd in: nanoschaal .

"Bottom-Up Synthesis of Single Crystal Diamond Pyramids Containing Germanium Vacancy Centers" is gepubliceerd in Geavanceerde kwantumtechnologieën .