Leds av Justus Ndukaife, biträdande professor i elektroteknik, Vanderbilt-forskare är de första att introducera ett tillvägagångssätt för att fånga och flytta ett nanomaterial känt som en enda kolloidal nanodiamant med kväve-vakanscenter med hjälp av lågeffekts laserstråle. Bredden på ett enda människohår är cirka 90, 000 nanometer; nanodiamanter är mindre än 100 nanometer. Dessa kolbaserade material är ett av få som kan frigöra grundenheten för allt ljus – en enda foton – en byggsten för framtida kvantfotoniktillämpningar, förklarar Ndukaife.

För närvarande är det möjligt att fånga nanodiamanter med hjälp av ljusfält fokuserade nära nanostora metallytor, men det går inte att flytta dem på det sättet eftersom laserstrålefläckar helt enkelt är för stora. Med hjälp av ett atomkraftmikroskop, det tar forskarna timmar att trycka på nanodiamanter en i taget nära en utsläppsförbättrande miljö för att bilda en användbar struktur. Ytterligare, för att skapa intrasslade källor och qubits – nyckelelement som förbättrar kvantdatorernas bearbetningshastigheter – behövs flera nanodiamantsändare nära varandra så att de kan interagera för att göra qubits, sa Ndukaife.

"Vi bestämde oss för att göra fångst och manipulering av nanodiamanter enklare genom att använda ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, " sa Ndukaife. "Vår pincett, en lågfrekvent elektrotermoplasmonisk pincett (LFET), kombinerar en bråkdel av en laserstråle med ett lågfrekvent elektriskt växelströmfält. Det här är en helt ny mekanism för att fånga och flytta nanodiamanter." En tråkig, timmar lång process har minskat till sekunder, och LFET är den första skalbara transport- och monteringstekniken på begäran i sitt slag.

Ndukaifes arbete är en nyckelingrediens för kvantberäkning, en teknik som snart kommer att möjliggöra ett stort antal applikationer från högupplöst bildbehandling till skapandet av ohackbara system och allt mindre enheter och datorchips. Under 2019, Department of Energy investerade 60,7 miljoner dollar i finansiering för att främja utvecklingen av kvantdatorer och nätverk.

"Att kontrollera nanodiamanter för att göra effektiva enfotonkällor som kan användas för den här typen av teknologier kommer att forma framtiden, " sa Ndukaife. "För att förbättra kvantegenskaper, det är viktigt att koppla kvantemitter som nanodiamanter med kvävevakanscentra till nanofotoniska strukturer."

Ndukaife har för avsikt att ytterligare utforska nanodiamanter, arrangera dem på nanofotoniska strukturer utformade för att förbättra deras emissionsprestanda. Med dem på plats, hans labb kommer att utforska möjligheterna för ultraljusa enfotonkällor och intrassling i en on-chip-plattform för informationsbehandling och bildbehandling.

"Det finns så många saker vi kan använda den här forskningen för att bygga vidare på, "Ndukaife sa. "Detta är den första tekniken som tillåter oss att dynamiskt manipulera enskilda nanoskaliga objekt i två dimensioner med hjälp av en laserstråle med låg effekt."

Artikeln, "Electrothermoplasmonic Trapping and Dynamic Manipulation of Single Colloidal Nanodiamond" publicerades i tidskriften Nanobokstäver den 7 juni och var medförfattare av doktorander i Ndukaifes labb, Chuchuan Hong och Sen Yang, såväl som deras samarbetspartner, Ivan Kravchenko vid Oak Ridge National Laboratory.