Färgen i en diamant kommer från en defekt, eller "ledig tjänst, " där det saknas en kolatom i kristallgittret. Lediga jobb har länge varit intressanta för elektronikforskare eftersom de kan användas som 'kvantnoder' eller punkter som utgör ett kvantnätverk för överföring av data. Ett av sätten att införa en defekt i en diamant är att implantera den med andra element, som kväve, kisel, eller tenn. I en ny studie publicerad i ACS Photonics , forskare från Japan visar att bly-vakanscenter i diamant har rätt egenskaper för att fungera som kvantnoder. "Användningen av en tung grupp IV-atom som bly är en enkel strategi för att uppnå överlägsna spinnegenskaper vid ökade temperaturer, men tidigare studier har inte varit konsekventa när det gäller att bestämma de optiska egenskaperna hos bly-vakanscenter exakt, " säger docent Takayuki Iwasaki vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), som ledde studien.

De tre kritiska egenskaper forskare letar efter i en potentiell kvantnod är symmetri, spin koherens tid, och noll fononlinjer (ZPLs), eller elektroniska övergångslinjer som inte påverkar "fononer, " kvanta av kristallgittervibrationer. Symmetri ger insikt i hur man kontrollerar spinn (rotationshastighet för subatomära partiklar som elektroner), koherens hänvisar till en identiskhet i vågnaturen hos två partiklar, och ZPLs beskriver den optiska kvaliteten hos kristallen.

Forskarna tillverkade bly-vakanserna i diamant och utsatte sedan kristallen för högt tryck och hög temperatur. De studerade sedan de lediga platserna med hjälp av fotoluminescensspektroskopi, en teknik som låter dig läsa de optiska egenskaperna och uppskatta spinnegenskaperna. De fann att bly-vakanserna hade en typ av dihedrisk symmetri, som är lämpligt för konstruktion av kvantnätverk. De fann också att systemet visade en stor "marktillståndsdelning, " en egenskap som bidrar till systemets sammanhållning. Slutligen, de såg att högtrycksbehandlingen vid hög temperatur som de tillfogade kristallerna undertryckte inhomogen fördelning av ZPL:er genom att återställa skadan på kristallgittret under implantationsprocessen. En enkel beräkning visade att blyvakanser hade en lång spinkoherenstid vid högre temperatur (9K) än tidigare system med kisel- och tennvakanser.

"Simuleringen vi presenterade i vår studie verkar tyda på att bly-vakanscentret sannolikt kommer att vara ett viktigt system för att skapa ett kvantljus-materia-gränssnitt - en av nyckelelementen i tillämpningen av kvantnätverk, " avslutar en optimistisk Dr. Iwasaki.

Denna studie banar väg för den framtida utvecklingen av stora (defekta) diamantskivor och tunna (defekta) diamantfilmer med pålitliga egenskaper för kvantnätstillämpningar.