Marilyn Monroe sjöng berömt att diamanter är en tjejs bästa vän, men de är också mycket populära bland kvantforskare – med två nya forskningsgenombrott som är redo att påskynda utvecklingen av syntetisk diamantbaserad kvantteknologi, förbättra skalbarheten, och dramatiskt minska tillverkningskostnaderna.

Medan kisel traditionellt används för dator- och mobiltelefonhårdvara, diamant har unika egenskaper som gör den särskilt användbar som bas för framväxande kvantteknologier som kvantsuperdatorer, säker kommunikation och sensorer.

Det finns dock två nyckelproblem; kosta, och svårigheter att tillverka det enkristalliserade diamantskiktet, vilket är mindre än en miljondels meter.

En forskargrupp från ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optics vid University of Technology Sydney (UTS), ledd av professor Igor Aharonovich, har precis publicerat två forskningsartiklar, i Nanoskala och Avancerad kvantteknologi , som tar itu med dessa utmaningar.

"För diamant som ska användas i kvanttillämpningar, vi behöver exakt konstruera "optiska defekter" i diamantanordningarna - hålrum och vågledare - för att kontrollera, manipulera och läsa ut information i form av qubits - kvantversionen av klassiska datorbitar, sa professor Aharonovich.

"Det liknar att skära hål eller skära raviner i ett supertunt diamantark, för att säkerställa att ljuset färdas och studsar i önskad riktning, " han sa.

För att övervinna "etsnings"-utmaningen, forskarna utvecklade en ny hårdmaskningsmetod, som använder ett tunt metalliskt volframlager för att mönstra diamantnanostrukturen, möjliggör skapandet av endimensionella fotoniska kristallhåligheter.

"Användningen av volfram som en hård mask tar itu med flera nackdelar med diamanttillverkning. Det fungerar som ett enhetligt begränsande ledande skikt för att förbättra livskraften för elektronstrålelitografi vid upplösning i nanoskala, " sa huvudförfattare till papper i Nanoscale, UTS Ph.D. kandidaten Blake Regan.

Som vi förstår det, vi erbjuder det första beviset på tillväxten av en enkristall-diamantstruktur från ett polykristallint material genom att använda en bottom-up-metod – som att odla blommor från frö.

"Det tillåter också eftertillverkning överföring av diamantenheter till det valda underlaget under omgivande förhållanden. Och processen kan automatiseras ytterligare, att skapa modulära komponenter för diamantbaserade kvantfotoniska kretsar, " han sa.

Volframskiktet är 30 nm brett - runt 10, 000 gånger tunnare än ett människohår – men det möjliggjorde en diamantetsning på över 300nm, en rekord selektivitet för diamantbearbetning.

En ytterligare fördel är att borttagning av volframmasken inte kräver användning av fluorvätesyra - en av de farligaste syrorna som används för närvarande - så detta förbättrar också avsevärt säkerheten och tillgängligheten för diamantnanotillverkningsprocessen.

För att ta itu med kostnadsfrågan, och förbättra skalbarheten, teamet vidareutvecklade ett innovativt steg för att odla fotoniska strukturer av enkristalldiamant med inbäddade kvantdefekter från ett polykristallint substrat.

"Vår process bygger på billigare stor polykristallin diamant, som finns som stora oblat, till skillnad från den traditionellt använda högkvalitativa enkristalldiamanten, som är begränsad till några mm2", sa UTS doktorand Milad Nonahal, huvudförfattare till studien i Avancerad kvantteknologi .

"Som vi förstår det, vi erbjuder det första beviset på tillväxten av en enkristall-diamantstruktur från ett polykristallint material genom att använda en bottom-up-metod – som att odla blommor från frö, " han lade till.

"Vår metod eliminerar behovet av dyra diamantmaterial och användningen av jonimplantation, vilket är nyckeln till att påskynda kommersialiseringen av diamantkvanthårdvara", säger UTS Dr. Mehran Kianinia, en senior författare på den andra studien.

"Nanotillverkning av högt Q, överförbara diamantresonatorer" publiceras i Nanoskala .

"Bottom-Up Synthesis of Single Crystal Diamond Pyramids Containing Germanium Vacancy Centers" publiceras i Avancerad kvantteknologi .