I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato una nuova tecnica per creare nanodiamanti a cristallo singolo drogati con NV, largo solo da quattro a otto nanometri, che potrebbero fungere da componenti nelle tecnologie di calcolo quantistico a temperatura ambiente. Questi nanodiamanti drogati promettono anche l'uso in sensori a fotone singolo e non tossici, biomarcatori fluorescenti.

Attualmente, i computer usano la logica binaria, in cui ogni unità binaria - o bit - si trova in uno dei due stati:1 o 0. L'informatica quantistica fa uso della sovrapposizione e dell'entanglement, consentendo la creazione di bit quantistici - o qubit - che possono avere un vasto numero di possibili stati. L'informatica quantistica ha il potenziale per aumentare significativamente la potenza e la velocità di calcolo.

Sono state esplorate una serie di opzioni per la creazione di sistemi di calcolo quantistico, compreso l'uso di diamanti che hanno centri di "vacanza di azoto". È qui che entra in gioco questa ricerca.

Normalmente, il diamante ha una struttura cristallina molto specifica, costituito da ripetuti tetraedri di diamante, o cubetti. Ogni cubo contiene cinque atomi di carbonio. Il team di ricerca di NC State ha sviluppato una nuova tecnica per creare tetraedri di diamante che hanno due atomi di carbonio; un posto vacante, dove manca un atomo; un atomo di carbonio-13 (un isotopo di carbonio stabile che ha sei protoni e sette neutroni); e un atomo di azoto. Questo è chiamato il centro NV. Ogni nanodiamante drogato con NV contiene migliaia di atomi, ma ha un solo centro NV; il resto dei tetraedri nel nanodiamante è costituito esclusivamente da carbonio.

È una distinzione atomicamente piccola, ma fa una grande differenza.

"Quel puntino, il centro NV, trasforma il nanodiamante in un qubit, "dice Jay Narayan, il John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering presso NC State e autore principale di un documento che descrive il lavoro. "Ogni centro NV ha due transizioni:NV0 e NV-. Possiamo andare avanti e indietro tra questi due stati usando la corrente elettrica o il laser. Questi nanodiamanti potrebbero fungere da mattoni di base di un computer quantistico".

Per creare questi nanodiamanti drogati con NV, i ricercatori iniziano con un substrato, come lo zaffiro, vetro o un polimero plastico. Il substrato viene quindi rivestito con carbonio amorfo - carbonio elementare che, a differenza della grafite o del diamante, non ha un regolare, struttura cristallina ben definita. Durante la deposizione del film di carbonio amorfo, i ricercatori lo bombardano con ioni azoto e ioni carbonio-13. Il carbonio viene quindi colpito con un impulso laser che aumenta la temperatura del carbonio a circa 4, 000 Kelvin (o circa 3, 727 gradi Celsius) e viene quindi rapidamente spento. L'operazione viene completata in un milionesimo di secondo e si svolge a un'atmosfera, la stessa pressione dell'aria circostante. Utilizzando diversi substrati e modificando la durata dell'impulso laser, i ricercatori possono controllare quanto velocemente il carbonio si raffredda, che permette loro di creare le strutture di nanodiamante.

"Il nostro approccio riduce le impurità; controlla le dimensioni del nanodiamante drogato con NV; ci consente di posizionare i nanodiamanti con una discreta precisione; e incorpora direttamente il carbonio-13 nel materiale, che è necessario per creare l'entanglement richiesto nell'informatica quantistica, " Narayan dice. "Tutti i nanodiamanti sono esattamente allineati attraverso il paradigma dell'epitassia di corrispondenza del dominio, che è un progresso significativo rispetto alle tecniche esistenti per la creazione di nanodiamanti drogati con NV".

"La nuova tecnica non solo offre un controllo e un'uniformità senza precedenti nei nanodiamanti drogati con NV, è anche meno costoso delle tecniche esistenti, " Narayan dice. "Si spera, ciò consentirà progressi significativi nel campo dell'informatica quantistica".

I ricercatori stanno attualmente discutendo con il governo e i gruppi del settore privato su come andare avanti. Un'area di interesse è lo sviluppo di un mezzo per creare sistemi autoassemblanti che incorporino nanodiamanti drogati con NV entangled per il calcolo quantistico.

La carta, "Nuova sintesi e proprietà di nanodiamanti puri e drogati con NV e altre nanostrutture, " è pubblicato sulla rivista Lettere di ricerca sui materiali .