Trovando un certo tipo di difetto all'interno di un blocco di diamante e modellando un modello di pilastri su scala nanometrica sulla superficie sopra di esso, i ricercatori possono controllare la forma dei singoli fotoni emessi dal difetto. Poiché quei fotoni trasportano informazioni sullo stato di spin di un elettrone, un tale sistema potrebbe essere utilizzato come base per tecnologie quantistiche compatte. Credito:Ann Sizemore Blevins
A livello chimico, i diamanti non sono altro che atomi di carbonio allineati in un preciso, reticolo cristallino tridimensionale (3-D). Però, anche un diamante apparentemente impeccabile contiene dei difetti:punti in quel reticolo dove manca un atomo di carbonio o è stato sostituito da qualcos'altro. Alcuni di questi difetti sono altamente desiderabili; intrappolano singoli elettroni che possono assorbire o emettere luce, causando i vari colori che si trovano nelle gemme di diamante e, ma ancora più importante, creare una piattaforma per diverse tecnologie quantistiche per l'informatica avanzata, comunicazione sicura e rilevamento di precisione.
Le tecnologie quantistiche si basano su unità di informazione quantistica note come "qubit". Gli spin degli elettroni sono i primi candidati a fungere da qubit; a differenza dei sistemi di calcolo binario in cui i dati assumono la forma di soli 0 o 1, lo spin dell'elettrone può rappresentare l'informazione come 0, 1, o entrambi contemporaneamente in una sovrapposizione quantistica. I qubit dei diamanti sono di particolare interesse per gli scienziati quantistici perché le loro proprietà quantomeccaniche, compresa la sovrapposizione, esistono a temperatura ambiente, a differenza di molte altre potenziali risorse quantistiche.
La sfida pratica di raccogliere informazioni da un singolo atomo nelle profondità di un cristallo è scoraggiante, però. Penn Engineers ha affrontato questo problema in un recente studio in cui ha ideato un modo per modellare la superficie di un diamante che rende più facile raccogliere la luce dai difetti all'interno. chiamato metalens, questa struttura superficiale contiene caratteristiche su scala nanometrica che piegano e focalizzano la luce emessa dai difetti, nonostante sia effettivamente piatto.
La ricerca è stata condotta da Lee Bassett, Ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, studente laureato Tzu-Yung Huang, e il ricercatore post-dottorato Richard Grote del laboratorio di Bassett.
Altri membri del Bassett Lab David Hopper, Annemarie Exarhos e Garrett Kaighn hanno contribuito al lavoro, come ha fatto Gerald Lopez, direttore del Business Development presso il Singh Center for Nanotechnology, e due membri del Centre for Nanophotonics di Amsterdam, Sander Mann ed Erik Garnett.
Lo studio è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura .
La chiave per sfruttare il potenziale potere dei sistemi quantistici è essere in grado di creare o trovare strutture che consentano di manipolare e misurare in modo affidabile lo spin degli elettroni, un compito difficile considerando la fragilità degli stati quantistici.
I metalli dei ricercatori, che consiste di tanti piccoli nanopillars, approssima l'effetto di una lente di Fresnel per dirigere la luce da un centro di azoto vacante (NV) di diamante in una fibra ottica, eliminando la necessità di un microscopio ingombrante. Credito: Comunicazioni sulla natura
Il laboratorio di Bassett affronta questa sfida da diverse direzioni. Recentemente, il laboratorio ha sviluppato una piattaforma quantistica basata su un materiale bidimensionale (2-D) chiamato nitruro di boro esagonale che, grazie alle sue dimensioni estremamente sottili, consente un più facile accesso agli spin degli elettroni. Nello studio attuale, il team è tornato a un materiale 3-D che contiene imperfezioni naturali con un grande potenziale per il controllo degli spin degli elettroni:i diamanti.
Piccoli difetti nei diamanti, chiamati centri di azoto vacante (NV), sono noti per ospitare spin di elettroni che possono essere manipolati a temperatura ambiente, a differenza di molti altri sistemi quantistici che richiedono temperature prossime allo zero assoluto. Ogni centro NV emette luce che fornisce informazioni sullo stato quantistico dello spin.
Bassett spiega perché è importante considerare sia le strade 2D che quelle 3D nella tecnologia quantistica:
"Le diverse piattaforme materiali sono a diversi livelli di sviluppo, e alla fine saranno utili per diverse applicazioni. I difetti nei materiali 2D sono ideali per il rilevamento di prossimità su superfici, e potrebbero eventualmente essere utili per altre applicazioni, come dispositivi fotonici quantistici integrati, " dice Bassett. "In questo momento, però, il centro diamante NV è semplicemente la migliore piattaforma in circolazione per l'elaborazione delle informazioni quantistiche a temperatura ambiente. È anche un candidato leader per la costruzione di reti di comunicazione quantistica su larga scala".
Finora, è stato possibile solo ottenere la combinazione di proprietà quantistiche desiderabili che sono richieste per queste applicazioni impegnative utilizzando centri NV incorporati in profondità all'interno di cristalli 3D di diamante sfusi.
Sfortunatamente, quei centri NV profondamente radicati possono essere di difficile accesso poiché non sono proprio sulla superficie del diamante. La raccolta della luce da quei difetti difficili da raggiungere di solito richiede un microscopio ottico ingombrante in un ambiente di laboratorio altamente controllato. Il team di Bassett voleva trovare un modo migliore per raccogliere la luce dai centri NV, un obiettivo che sono stati in grado di raggiungere progettando un metalens specializzato che elude la necessità di un grande, microscopio costoso.
"Abbiamo usato il concetto di metasuperficie per progettare e fabbricare una struttura sulla superficie del diamante che agisce come una lente per raccogliere fotoni da un singolo qubit in diamante e dirigerli in una fibra ottica, mentre in precedenza ciò richiedeva un grande, microscopio ottico a spazio libero, " Dice Bassett. "Questo è un primo passo fondamentale nel nostro più ampio sforzo per realizzare dispositivi quantistici compatti che non richiedono una stanza piena di componenti elettronici e ottici a spazio libero".
Tzu Yung Huang, Lee Bassett e David Hopper al lavoro nel laboratorio di ingegneria quantistica di Bassett. Credito:Università della Pennsylvania
Le metasuperfici sono costituite da intricate, modelli su scala nanometrica che possono realizzare fenomeni fisici altrimenti impossibili alla macroscala. I metalli dei ricercatori sono costituiti da un campo di pilastri, ogni 1 micrometro di altezza e 100-250 nanometri di diametro, disposti in modo tale da focalizzare la luce come una tradizionale lente curva. Incisa sulla superficie del diamante e allineata con uno dei centri NV all'interno, il metalens guida la luce che rappresenta lo stato di spin dell'elettrone direttamente in una fibra ottica, snellire il processo di raccolta dei dati.
"I metalli effettivi hanno un diametro di circa 30 micron, che è circa il diametro di un capello. Se guardi il pezzo di diamante su cui l'abbiamo fabbricato, non puoi vederlo. Al massimo, potevi vedere una macchia scura, " dice Huang. "Di solito pensiamo agli obiettivi come messa a fuoco o collimazione, ma, con una metastruttura, abbiamo la libertà di progettare qualsiasi tipo di profilo desideriamo. Ci offre la libertà di personalizzare il modello di emissione o il profilo di un emettitore quantistico, come un centro NV, che non è possibile, o è molto difficile, con ottica dello spazio libero."
Per progettare i loro metalli, bassotto, Huang e Grote hanno dovuto mettere insieme una squadra con una vasta gamma di conoscenze, dalla meccanica quantistica all'ingegneria elettrica alle nanotecnologie. Bassett attribuisce al Singh Center for Nanotechnology un ruolo fondamentale nella loro capacità di costruire fisicamente i metalli.
"La nanofabbricazione è stata una componente chiave di questo progetto, " afferma Bassett. "Avevamo bisogno di ottenere una litografia ad alta risoluzione e un'incisione precisa per fabbricare una serie di nanocolonne di diamante su scale di lunghezza inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Il diamante è un materiale difficile da lavorare, ed è stato il lavoro dedicato di Richard nel Centro Singh che ha permesso questa capacità. Siamo stati anche fortunati a beneficiare del personale esperto della camera bianca. Gerald ci ha aiutato a sviluppare le tecniche di litografia a fascio di elettroni. Abbiamo avuto anche l'aiuto di Meredith Metzler, il Thin Film Area Manager presso il Singh Center, nello sviluppo dell'incisione a diamante."
Sebbene la nanofabbricazione presenti le sue sfide, la flessibilità offerta dall'ingegneria delle metasuperfici offre importanti vantaggi per le applicazioni reali della tecnologia quantistica:
"Abbiamo deciso di collimare la luce dai centri NV per andare su una fibra ottica, poiché si interfaccia facilmente con altre tecniche che sono state sviluppate per le tecnologie in fibra ottica compatte negli ultimi dieci anni, " dice Huang. "Anche la compatibilità con altre strutture fotoniche è importante. Potrebbero esserci altre strutture che vuoi mettere sul diamante, e i nostri metalli non precludono quegli altri miglioramenti ottici."
Questo studio è solo uno dei tanti passi verso l'obiettivo di compattare la tecnologia quantistica in sistemi più efficienti. Il laboratorio di Bassett prevede di continuare a esplorare come sfruttare al meglio il potenziale quantistico dei materiali 2-D e 3-D.
"Il campo dell'ingegneria quantistica sta avanzando rapidamente ora in gran parte grazie alla convergenza di idee e competenze di molte discipline tra cui la fisica, scienza dei materiali, fotonica ed elettronica, " dice Bassett. "Penn Engineering eccelle in tutte queste aree, quindi non vediamo l'ora di molti altri progressi in futuro. In definitiva, vogliamo trasferire questa tecnologia fuori dal laboratorio e nel mondo reale, dove può avere un impatto sulla nostra vita quotidiana".
