Il colore in un diamante deriva da un difetto, o "posto vacante, " dove c'è un atomo di carbonio mancante nel reticolo cristallino. I posti vacanti sono stati a lungo di interesse per i ricercatori di elettronica perché possono essere usati come "nodi quantistici" o punti che costituiscono una rete quantistica per il trasferimento di dati. Uno dei modi di introdurre un difetto in un diamante è impiantarlo con altri elementi, come l'azoto, silicio, o stagno. In un recente studio pubblicato su Fotonica ACS , scienziati dal Giappone dimostrano che i centri di posti vacanti di piombo nel diamante hanno le proprietà giuste per funzionare come nodi quantistici. "L'uso di un atomo pesante del gruppo IV come il piombo è una strategia semplice per ottenere proprietà di spin superiori a temperature elevate, ma gli studi precedenti non sono stati coerenti nel determinare con precisione le proprietà ottiche dei centri di posti vacanti al piombo, " afferma il Professore Associato Takayuki Iwasaki del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), che ha condotto lo studio.

Le tre proprietà critiche che i ricercatori cercano in un potenziale nodo quantistico sono la simmetria, tempo di coerenza di rotazione, e linee zero fononi (ZPL), o linee di transizione elettroniche che non influenzano "fononi, " i quanti delle vibrazioni del reticolo cristallino. La simmetria fornisce informazioni su come controllare lo spin (velocità di rotazione delle particelle subatomiche come gli elettroni), la coerenza si riferisce a un'identità nella natura ondulatoria di due particelle, e ZPL descrivono la qualità ottica del cristallo.

I ricercatori hanno fabbricato le offerte di piombo nel diamante e poi hanno sottoposto il cristallo ad alta pressione e alta temperatura. Hanno quindi studiato i posti vacanti di piombo utilizzando la spettroscopia di fotoluminescenza, una tecnica che permette di leggere le proprietà ottiche e di stimare le proprietà di spin. Hanno scoperto che i posti vacanti di piombo avevano un tipo di simmetria diedrica, che è appropriato per la costruzione di reti quantistiche. Hanno anche scoperto che il sistema mostrava una grande "divisione dello stato fondamentale, " una proprietà che contribuisce alla coerenza del sistema. Infine, hanno visto che il trattamento ad alta pressione ad alta temperatura che hanno inflitto ai cristalli ha soppresso la distribuzione disomogenea di ZPL recuperando il danno arrecato al reticolo cristallino durante il processo di impianto. Un semplice calcolo ha mostrato che i posti vacanti di piombo avevano un lungo tempo di coerenza di spin a una temperatura più elevata (9K) rispetto ai sistemi precedenti con posti vacanti di silicio e stagno.

"La simulazione che abbiamo presentato nel nostro studio sembra suggerire che il centro di posti vacanti di piombo sarà probabilmente un sistema essenziale per creare un'interfaccia quantistica luce-materia, uno degli elementi chiave nell'applicazione delle reti quantistiche, " conclude un ottimista Dr. Iwasaki.

Questo studio apre la strada allo sviluppo futuro di wafer di diamante grandi (difettosi) e di film di diamante sottili (difettosi) con proprietà affidabili per applicazioni di rete quantistica.