Het schitterende blauw van de Hope Diamond wordt veroorzaakt door kleine onzuiverheden in de kristalstructuur. Vergelijkbare diamantonzuiverheden geven ook hoop aan wetenschappers die materialen willen maken die kunnen worden gebruikt voor kwantumcomputers en kwantumdetectie.

In nieuw onderzoek van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben onderzoekers extreem dunne membranen van pure diamant gemaakt. Op enkele plaatsen in de kristalstructuur van het membraan heeft het team echter koolstofatomen vervangen door andere atomen, met name stikstof. Deze defecten verbinden met naburige atomaire vacatures - regio's waar een atoom ontbreekt - en creëren ongebruikelijke kwantumsystemen die bekend staan ​​​​als 'kleurcentra'. Dergelijke kleurcentra zijn locaties voor het opslaan en verwerken van kwantuminformatie.

Uitgerust met een manier om goedkoop en gemakkelijk diamantmembranen te maken met robuuste kleurcentra, hopen wetenschappers van Argonne een soort assemblagelijn te bouwen voor het genereren van grote aantallen van deze membranen voor kwantumexperimenten over de hele wereld.

Het vermogen om de membranen te laten groeien zou het ticket kunnen zijn voor het verbeteren van de samenwerking tussen verschillende laboratoria die zich toeleggen op kwantuminformatiewetenschap, zei student Xinghan Guo van de University of Chicago, hoofdauteur van het onderzoek.

"In wezen hopen we dat dit ons uiteindelijk de mogelijkheid zal geven om een ​​one-stop-shop voor kwantumdetectiematerialen te worden," zei Guo.

"De defecten in de diamant zijn interessant voor ons omdat ze kunnen worden uitgebuit voor kwantumtoepassing", zegt Nazar Delegan, wetenschapper in de Materials Science-divisie van Argonne en de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago en een medewerker van Q-NEXT. "Door deze membranen te maken, kunnen we deze defecten integreren met andere systemen en nieuwe experimentele configuraties mogelijk maken."

Diamant is mechanisch hard, chemisch stabiel en over het algemeen duur - met andere woorden, het is een soort wetenschappelijke nachtmerrie, notoir moeilijk te fabriceren en te integreren. Tegelijkertijd maakt de specifieke structuur van diamant het een geweldige gastheer voor kleurcentra die kwantuminformatie voor een lange tijd kunnen opslaan, zei Guo.

"Conventionele diamant als substraat is super moeilijk om mee te werken," zei hij. "Onze membranen zijn dunner en toegankelijker voor een breed scala aan experimenten."

Het nieuwe diamantmateriaal dat door de onderzoekers is gemaakt, biedt een betere kristal- en oppervlaktekwaliteit, waardoor meer controle over de samenhang van de kleurcentra mogelijk is.

"Je kunt het membraan eraf halen en op een breed scala aan substraten aanbrengen, zelfs op een siliciumwafel. Het is een goedkope, flexibele en gemakkelijke manier om met kleurcentra te werken zonder direct met conventionele diamant te hoeven werken," zei Guo. .

"Omdat we de kwantumeigenschappen in individuele defecten in deze zeer dunne materialen kunnen controleren en behouden, maakt dit dit platform veelbelovend als basis voor kwantumtechnologieën," zei Delegan.

Een paper op basis van het onderzoek verscheen in de online editie van Nano Letters . van 13 december 2021 . + Verder verkennen

Direct printen van nanodiamanten op kwantumniveau