Marilyn Monroe ha cantato notoriamente che i diamanti sono i migliori amici di una ragazza, ma sono anche molto popolari tra gli scienziati quantistici, con due nuove scoperte di ricerca pronte ad accelerare lo sviluppo della tecnologia quantistica a base di diamanti sintetici, migliorare la scalabilità, e ridurre drasticamente i costi di produzione.

Mentre il silicio è tradizionalmente utilizzato per l'hardware di computer e telefoni cellulari, il diamante ha proprietà uniche che lo rendono particolarmente utile come base per le tecnologie quantistiche emergenti come i supercomputer quantistici, comunicazioni sicure e sensori.

Tuttavia ci sono due problemi chiave; costo, e difficoltà nella fabbricazione dello strato di diamante a cristallo singolo, che è inferiore a un milionesimo di metro.

Un team di ricerca dell'ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optics presso la University of Technology di Sydney (UTS), guidato dal professor Igor Aharonovich, ha appena pubblicato due articoli di ricerca, in Nanoscala e Tecnologie quantistiche avanzate , che affrontano queste sfide.

"Per il diamante da utilizzare in applicazioni quantistiche, dobbiamo progettare con precisione i "difetti ottici" nei dispositivi diamantati - cavità e guide d'onda - per controllare, manipolare e leggere le informazioni sotto forma di qubit, la versione quantistica dei classici bit per computer, ", ha detto il professor Aharonovich.

"È come tagliare buchi o intagliare gole in un foglio di diamante super sottile, per garantire che la luce viaggi e rimbalzi nella direzione desiderata, " Egli ha detto.

Per vincere la sfida dell'"incisione", i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di mascheramento duro, che utilizza un sottile strato di tungsteno metallico per modellare la nanostruttura del diamante, consentendo la creazione di cavità di cristalli fotonici unidimensionali.

"L'uso del tungsteno come maschera rigida risolve diversi inconvenienti della fabbricazione del diamante. Agisce come uno strato conduttivo di contenimento uniforme per migliorare la fattibilità della litografia a fascio di elettroni a risoluzione su scala nanometrica, " ha detto l'autore principale di carta in nanoscala, Dottorato UTS candidato Blake Regan.

Al meglio delle nostre conoscenze, offriamo la prima prova della crescita di una struttura di diamante a cristallo singolo da un materiale policristallino utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, come la crescita di fiori dal seme.

"Consente inoltre il trasferimento post-fabbricazione di dispositivi diamantati sul substrato prescelto in condizioni ambientali. E il processo può essere ulteriormente automatizzato, per creare componenti modulari per circuiti fotonici quantistici basati su diamante, " Egli ha detto.

Lo strato di tungsteno è largo 30 nm, circa 10, 000 volte più sottile di un capello umano, tuttavia ha consentito un'incisione a diamante di oltre 300 nm, una selettività record per la lavorazione del diamante.

Un ulteriore vantaggio è che la rimozione della maschera in tungsteno non richiede l'uso di acido fluoridrico, uno degli acidi più pericolosi attualmente in uso, quindi anche questo migliora significativamente la sicurezza e l'accessibilità del processo di nanofabbricazione del diamante.

Per affrontare il problema dei costi, e migliorare la scalabilità, il team ha ulteriormente sviluppato un passaggio innovativo per far crescere strutture fotoniche di diamante a cristallo singolo con difetti quantistici incorporati da un substrato policristallino.

"Il nostro processo si basa su un diamante policristallino di grandi dimensioni a basso costo, che è disponibile come wafer di grandi dimensioni, a differenza del diamante monocristallo di alta qualità tradizionalmente usato, che è limitato a pochi mm2", ha affermato il candidato al dottorato di ricerca UTS Milad Nonahal, autore principale dello studio in Tecnologie quantistiche avanzate .

"Al meglio delle nostre conoscenze, offriamo la prima prova della crescita di una struttura di diamante a cristallo singolo da un materiale policristallino utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, come la crescita di fiori dal seme, " Ha aggiunto.

"Il nostro metodo elimina la necessità di costosi materiali diamantati e l'uso dell'impianto ionico, che è la chiave per accelerare la commercializzazione dell'hardware quantistico del diamante", ha affermato il dott. UTS Mehran Kianinia, un autore senior del secondo studio.

"Nanofabbricazione di Q alto, risuonatori di diamanti trasferibili" è pubblicato in Nanoscala .

"Sintesi dal basso verso l'alto di piramidi di diamanti a cristallo singolo contenenti centri vacanti di germanio" è pubblicata in Tecnologie quantistiche avanzate .