På kemisk nivå, diamanter är inte mer än kolatomer i linje med en exakt, tredimensionellt (3-D) kristallgitter. Dock, även en till synes felfri diamant innehåller defekter:fläckar i det galler där en kolatom saknas eller har ersatts av något annat. Några av dessa defekter är mycket önskvärda; de fäller enskilda elektroner som kan absorbera eller avge ljus, orsakar de olika färgerna som finns i diamant ädelstenar och, mer viktigt, skapa en plattform för olika kvanttekniker för avancerad datorbearbetning, säker kommunikation och precisionsavkänning.

Kvantteknologi är baserad på enheter med kvantinformation som kallas "qubits". Elektronernas snurr är främsta kandidater för att fungera som qubits; till skillnad från binära datorsystem där data har formen av endast 0s eller 1s, elektronspinn kan representera information som 0, 1, eller båda samtidigt i en kvantsuperposition. Kubiter från diamanter är av särskilt intresse för kvantforskare eftersom deras kvantmekaniska egenskaper, inklusive superposition, finns vid rumstemperatur, till skillnad från många andra potentiella kvantresurser.

Den praktiska utmaningen att samla information från en enda atom djupt inne i en kristall är en skrämmande, dock. Penn Engineers tog upp detta problem i en nyligen genomförd studie där de utarbetade ett sätt att mönstra ytan på en diamant som gör det lättare att samla ljus från defekterna inuti. Kallade en metalens, denna ytstruktur innehåller nanoskala funktioner som böjer och fokuserar ljuset som avges av defekterna, trots att den faktiskt är platt.

Forskningen leds av Lee Bassett, Docent vid Institutionen för el- och systemteknik, doktorand Tzu-Yung Huang, och postdoktor Richard Grote från Bassetts lab.

Ytterligare Bassett Lab -medlemmar David Hopper, Annemarie Exarhos och Garrett Kaighn bidrog till arbetet, liksom Gerald Lopez, chef för affärsutveckling vid Singh Center for Nanotechnology, och två medlemmar i Amsterdams centrum för nanofotonik, Sander Mann och Erik Garnett.

Studien publicerades i Naturkommunikation .

Nyckeln till att utnyttja den potentiella kraften i kvantsystem är att kunna skapa eller hitta strukturer som gör att elektronspinn kan manipuleras och mätas på ett tillförlitligt sätt, en svår uppgift med tanke på skörheten i kvanttillstånd.

Bassetts laboratorium närmar sig denna utmaning från flera håll. Nyligen, labbet utvecklade en kvantplattform baserad på ett tvådimensionellt (2-D) material som kallas hexagonal bornitrid som, på grund av dess extremt tunna dimensioner, möjliggör enklare åtkomst till elektronspinn. I den aktuella studien, laget återvände till ett 3D-material som innehåller naturliga brister med stor potential för att kontrollera elektronspinn:diamanter.

Små defekter i diamanter, kallade nitrogen-vacancy (NV) centra, är kända för att ha elektronspinn som kan manipuleras vid rumstemperatur, till skillnad från många andra kvantsystem som kräver temperaturer som närmar sig absolut noll. Varje NV -center avger ljus som ger information om snurrets kvanttillstånd.

Bassett förklarar varför det är viktigt att överväga både 2-D och 3-D-vägar inom kvantteknik:

"De olika materialplattformarna befinner sig på olika utvecklingsnivåer, och de kommer i slutändan att vara användbara för olika applikationer. Defekter i 2-D-material är idealiska för närhetsavkänning på ytor, och de kan så småningom vara bra för andra applikationer, såsom integrerade kvantfotoniska enheter, "Säger Bassett." Just nu, dock, diamant NV-centrum är helt enkelt den bästa plattformen för kvantinformationsbehandling vid rumstemperatur. Det är också en ledande kandidat för att bygga storskaliga kvantkommunikationsnätverk. "

Än så länge, det har bara varit möjligt att uppnå kombinationen av önskvärda kvantegenskaper som krävs för dessa krävande applikationer med NV-centra inbäddade djupt i bulk 3D-kristaller av diamant.

Tyvärr, de djupt inbäddade NV -centren kan vara svåra att komma åt eftersom de inte ligger precis på diamantens yta. Att samla in ljus från de svåråtkomliga defekterna kräver vanligtvis ett skrymmande optiskt mikroskop i en mycket kontrollerad laboratoriemiljö. Bassetts team ville hitta ett bättre sätt att samla ljus från NV -centra, ett mål de kunde uppnå genom att designa specialiserade metaller som kringgår behovet av en stor, dyrt mikroskop.

"Vi använde begreppet en metasyta för att designa och tillverka en struktur på diamantytan som fungerar som en lins för att samla fotoner från en enda qubit i diamant och leda dem till en optisk fiber, medan detta tidigare krävde en stor, ledigt optiskt mikroskop, "Säger Bassett." Detta är ett första steg i vårt större försök att realisera kompakta kvantanordningar som inte kräver ett rum fullt av elektronik och lediga utrymmen. "

Metasurfaces består av invecklade, nanoskala mönster som kan uppnå fysiska fenomen som annars är omöjliga i makroskala. Forskarnas metaller består av ett pelarområde, var 1 mikrometer hög och 100-250 nanometer i diameter, ordnade på ett sådant sätt att de fokuserar ljuset som ett traditionellt böjt objektiv. Etsad på diamantens yta och i linje med ett av NV -centren inuti, metallerna styr ljuset som representerar elektronens spinntillstånd direkt in i en optisk fiber, effektivisera datainsamlingsprocessen.

"De faktiska metallerna är cirka 30 mikron tvärs över, som är ungefär diametern på en hårbit. Om du tittar på diamanten som vi tillverkade den på, du kan inte se det. Som mest, du kunde se en mörk fläck, "säger Huang." Vi tänker vanligtvis på linser som fokusering eller kollimering, men, med en metastruktur, vi har friheten att utforma vilken typ av profil som helst. Det ger oss friheten att skräddarsy utsläppsmönstret eller profilen för en kvantemitter, som ett NV -center, vilket inte är möjligt, eller är mycket svårt, med ledigt utrymme. "

För att designa sina metaller, Bassett, Huang och Grote var tvungna att samla ett team med en mängd olika kunskaper, från kvantmekanik till elektroteknik till nanoteknik. Bassett krediterar Singh Center for Nanotechnology som en avgörande roll i deras förmåga att fysiskt konstruera metallerna.

"Nanofabrication var en nyckelkomponent i detta projekt, "säger Bassett." Vi behövde uppnå högupplöst litografi och exakt etsning för att tillverka en rad diamantnanopilar på längdskalor som är mindre än ljusets våglängd. Diamant är ett utmanande material att bearbeta, och det var Richards dedikerade arbete i Singh Center som möjliggjorde denna förmåga. Vi hade också turen att dra nytta av den erfarna renrumspersonalen. Gerald hjälpte oss att utveckla elektronstråle litografi tekniker. Vi fick också hjälp av Meredith Metzler, Thin Film Area Manager på Singh Center, i utvecklingen av diamantetsningen. "

Även om nanofabrication kommer med sina utmaningar, den flexibilitet som metasurface-tekniken ger är viktiga fördelar för verkliga tillämpningar av kvantteknik:

"Vi bestämde oss för att kollimera ljuset från NV -centra för att gå till en optisk fiber, eftersom den lätt har kontakt med andra tekniker som har utvecklats för kompakt fiberoptisk teknik under det senaste decenniet, "Säger Huang." Kompatibiliteten med andra fotoniska strukturer är också viktig. Det kan finnas andra strukturer som du vill sätta på diamanten, och våra metaller utesluter inte de andra optiska förbättringarna. "

Denna studie är bara ett av många steg mot målet att komprimera kvantteknik till effektivare system. Bassetts laboratorium planerar att fortsätta utforska hur man bäst utnyttjar kvantpotentialen för 2-D och 3-D-material.

"Kvantteknikområdet går snabbt framåt nu till stor del på grund av konvergensen mellan idéer och expertis från många discipliner, inklusive fysik, materialvetenskap, fotonik och elektronik, "Säger Bassett." Penn Engineering utmärker sig inom alla dessa områden, så vi ser fram emot många fler framsteg i framtiden. I sista hand, Vi vill överföra denna teknik från labbet till den verkliga världen där den kan påverka vår vardag. "