Creando dispositivi a nanofili a base di diamante, un team di Harvard ha fatto un altro passo avanti per rendere possibili applicazioni basate sulla scienza e la tecnologia quantistica.

Il nuovo dispositivo offre un luminoso, sorgente stabile di singoli fotoni a temperatura ambiente, un elemento essenziale per rendere pratico il calcolo veloce e sicuro con la luce.

La scoperta potrebbe portare a una nuova classe di dispositivi diamantati nanostrutturati adatti alla comunicazione quantistica e all'informatica, così come aree avanzate che vanno dal rilevamento biologico e chimico all'imaging scientifico.

Pubblicato nel numero del 14 febbraio di Nanotecnologia della natura, ricercatori guidati da Marko Loncar, Assistant Professor di Ingegneria Elettrica presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno scoperto che le prestazioni di una singola sorgente di fotoni basata su un difetto di emissione di luce (centro di colore) nel diamante potrebbero essere migliorate mediante la nanostrutturazione del diamante e incorporando il difetto all'interno di un nanofilo di diamante.

Scienziati, infatti, ha iniziato a sfruttare le proprietà dei diamanti naturali dopo aver imparato a manipolare lo spin dell'elettrone, o momento angolare intrinseco, associato al centro di colore della vacanza di azoto (NV) della gemma. Lo stato quantistico (qubit) può essere inizializzato e misurato usando la luce.

Il centro colore "comunica" emettendo e assorbendo fotoni. Il flusso di fotoni emessi dal centro del colore fornisce un mezzo per trasportare le informazioni risultanti, fare il controllo, catturare, e l'immagazzinamento di fotoni essenziali per qualsiasi tipo di comunicazione pratica o calcolo. Raccogliere fotoni in modo efficiente, però, è difficile poiché i centri di colore sono incorporati in profondità all'interno del diamante.

"Questo rappresenta un grosso problema se si desidera interfacciare un centro colore e integrarlo in applicazioni del mondo reale, " spiega Loncar. "Quello che mancava era un'interfaccia che collegasse il nano-mondo di un centro colore con il macro-mondo delle fibre ottiche e delle lenti".

Il dispositivo nanofilo diamantato offre una soluzione, fornendo un'interfaccia naturale ed efficiente per sondare un singolo centro di colore, rendendolo più luminoso e aumentandone la sensibilità. Le proprietà ottiche migliorate risultanti aumentano la raccolta di fotoni di quasi un fattore dieci rispetto ai dispositivi di diamante naturale.

"Il nostro dispositivo a nanofili può incanalare i fotoni emessi e dirigerli in modo conveniente, ", afferma l'autore principale Tom Babinec, uno studente laureato presso SEAS.

Ulteriore, il nanofilo di diamante è progettato per superare gli ostacoli che hanno messo alla prova altri sistemi all'avanguardia, come quelli basati su molecole di colorante fluorescente, punti quantici, e nanotubi di carbonio, poiché il dispositivo può essere facilmente replicato e integrato con una varietà di strutture nanolavorate.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di nanofabbricazione dall'alto verso il basso per incorporare i centri di colore in una varietà di strutture lavorate. Creando array di dispositivi di grandi dimensioni anziché solo design "pezzi unici", la realizzazione di reti e sistemi quantistici, che richiedono l'integrazione e la manipolazione di molti dispositivi in ​​parallelo, è più probabile.

"Riteniamo che questo sia un passo importante e che abilita la tecnologia verso sistemi ottici più pratici basati su questa entusiasmante piattaforma di materiali, " dice Loncar. " A partire da questi sintetici, campioni di diamanti nanostrutturati, possiamo iniziare a sognare i dispositivi e i sistemi basati sul diamante che un giorno potrebbero portare ad applicazioni nella scienza e tecnologia quantistica, nonché nel rilevamento e nell'imaging".