Forskare vid North Carolina State University har utvecklat en ny teknik för att skapa NV-dopade enkristall-nanodiamanter, bara fyra till åtta nanometer breda, som kan fungera som komponenter i rumstemperatur kvantberäkningsteknik. Dessa dopade nanodiamanter har också ett löfte för användning i enfoton-sensorer och icke-toxiska, fluorescerande biomarkörer.

För närvarande, datorer använder binär logik, där varje binär enhet - eller bit - är i ett av två tillstånd:1 eller 0. Kvantberäkning använder sig av superposition och intrassling, tillåter skapandet av kvantbitar - eller qubits - som kan ha ett stort antal möjliga tillstånd. Quantum computing har potential att avsevärt öka datorkraften och hastigheten.

Ett antal alternativ har undersökts för att skapa kvantdatasystem, inklusive användning av diamanter som har "kvävevakans" -centra. Det är där denna forskning kommer in.

I vanliga fall, diamant har en mycket specifik kristallin struktur, bestående av upprepade diamanttetraeder, eller kuber. Varje kub innehåller fem kolatomer. NC -statens forskargrupp har utvecklat en ny teknik för att skapa diamanttetraeder som har två kolatomer; en ledig plats, där en atom saknas; en kol-13-atom (en stabil kolisotop som har sex protoner och sju neutroner); och en kväveatom. Detta kallas NV -centrum. Varje NV-dopad nanodiamond innehåller tusentals atomer, men har bara ett NV -centrum; resten av tetraederna i nanodiamanten är enbart gjorda av kol.

Det är en atomiskt liten skillnad, men det gör stor skillnad.

"Den lilla pricken, NV -centrum, gör nanodiamanten till en qubit, "säger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor i materialvetenskap och teknik vid NC State och huvudförfattare till ett papper som beskriver arbetet. "Varje NV-centrum har två övergångar:NV0 och NV-. Vi kan gå fram och tillbaka mellan dessa två tillstånd med elektrisk ström eller laser. Dessa nanodiamanter kan fungera som de grundläggande byggstenarna i en kvantdator."

För att skapa dessa NV-dopade nanodiamanter, forskarna börjar med ett substrat, såsom safir, glas eller en plastpolymer. Substratet beläggs sedan med amorft kol - elementärt kol som, till skillnad från grafit eller diamant, har inte en vanlig, väldefinierad kristallin struktur. När filmen av amorft kol deponeras, forskarna bombarderar det med kvävejoner och kol-13 joner. Kolet träffas sedan med en laserpuls som höjer kolens temperatur till cirka 4, 000 Kelvin (eller cirka 3, 727 grader Celsius) och släcks sedan snabbt. Operationen slutförs inom en miljonedel av en sekund och sker vid en atmosfär - samma tryck som den omgivande luften. Genom att använda olika substrat och ändra laserpulsens varaktighet, forskarna kan styra hur snabbt kolet svalnar, vilket gör att de kan skapa nanodiamondstrukturer.

"Vårt tillvägagångssätt minskar föroreningar, kontrollerar storleken på den NV-dopade nanodiamanten; gör att vi kan placera nanodiamanterna med en ganska stor precision och integrerar kol-13 direkt i materialet, som är nödvändig för att skapa den intrassling som krävs vid kvantberäkning, "Säger Narayan." Alla nanodiamanter är exakt inriktade genom paradigmet för domänmatchning epitaxy, vilket är ett betydande framsteg jämfört med befintliga tekniker för att skapa NV-dopade nanodiamanter. "

"Den nya tekniken erbjuder inte bara oöverträffad kontroll och enhetlighet i de NV-dopade nanodiamanterna, det är också billigare än befintliga tekniker, "Säger Narayan." Förhoppningsvis detta kommer att möjliggöra betydande framsteg inom kvantberäkningen. "

Forskarna talar för närvarande med myndigheter och privata grupper om hur de ska gå vidare. Ett intresseområde är att utveckla ett sätt att skapa självmonterande system som innehåller intrasslade NV-dopade nanodiamanter för kvantberäkning.

Pappret, "Ny syntes och egenskaper hos rena och NV-dopade nanodiamanter och andra nanostrukturer, "publiceras i tidningen Materialforskningsbrev .