Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Bằng cách tìm ra một loại khiếm khuyết nhất định bên trong một khối kim cương và tạo ra một mô hình các cột nano ở bề mặt bên trên nó, các nhà nghiên cứu kỹ thuật giờ đây có thể kiểm soát hình dạng của các photon riêng lẻ phát ra từ khuyết tật. Do các photon đó mang thông tin về trạng thái spin của electron, nên một hệ thống như vậy có thể được sử dụng làm cơ sở cho các công nghệ lượng tử nhỏ gọn.
Ở cấp độ hóa học, kim cương không nhiều hơn các nguyên tử carbon được sắp xếp trong một mạng tinh thể ba chiều (3D) chính xác. Tuy nhiên, ngay cả một viên kim cương dường như hoàn hảo cũng chứa khuyết điểm: các đốm trong mạng tinh thể nơi nguyên tử carbon bị thiếu hoặc đã được thay thế bằng thứ khác. Một số trong những khiếm khuyết này là rất mong muốn; chúng bẫy các electron riêng lẻ có thể hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng, tạo ra các màu khác nhau có trong đá quý kim cương và quan trọng hơn là tạo ra một nền tảng cho các công nghệ lượng tử đa dạng cho điện toán tiên tiến, giao tiếp an toàn và cảm biến chính xác.
Các công nghệ lượng tử dựa trên các đơn vị thông tin lượng tử được gọi là “qubit”. Sự quay tròn của các điện tử là ứng cử viên chính để phục vụ như các qubit; Không giống như các hệ thống máy tính nhị phân trong đó dữ liệu chỉ có dạng 0 hoặc 1, spin electron có thể biểu diễn thông tin là 0, 1 hoặc cả hai đồng thời trong sự chồng chất lượng tử. Qubits từ kim cương được các nhà khoa học lượng tử đặc biệt quan tâm vì các tính chất cơ học lượng tử của chúng, bao gồm sự chồng chất, tồn tại ở nhiệt độ phòng, không giống như nhiều tài nguyên lượng tử tiềm năng khác.
Tuy nhiên, thách thức thực tế của việc thu thập thông tin từ một nguyên tử sâu bên trong một tinh thể là một điều khó khăn. Các kỹ sư của Penn đã giải quyết vấn đề này trong một nghiên cứu gần đây, trong đó họ đã nghĩ ra cách tạo hoa văn cho bề mặt của một viên kim cương giúp thu thập ánh sáng từ các khuyết tật bên trong dễ dàng hơn. Được gọi là metalens, cấu trúc bề mặt này chứa các tính năng nano uốn cong và tập trung ánh sáng phát ra từ các khuyết tật, mặc dù có độ phẳng hiệu quả.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Lee Bassett, Trợ lý Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Hệ thống, nghiên cứu sinh Tzu-Yung Huang và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Richard Grote từ phòng thí nghiệm của Bassett.
Các thành viên khác của Bassett Lab David Hopper, Annemarie Exarhos và Garrett Kaighn đã đóng góp cho công việc, cũng như Gerald Lopez, giám đốc phát triển kinh doanh tại Trung tâm công nghệ nano Singh, và hai thành viên của Trung tâm Nanophotonics của Amsterdam, Sander Mann và Erik Garnett.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications .
Chìa khóa để khai thác sức mạnh tiềm tàng của các hệ lượng tử là có thể tạo hoặc tìm các cấu trúc cho phép spin electron được điều khiển và đo lường một cách đáng tin cậy, một nhiệm vụ khó khăn khi xem xét tính mong manh của các trạng thái lượng tử.
Phòng thí nghiệm của Bassett tiếp cận thách thức này từ một số hướng. Gần đây, phòng thí nghiệm đã phát triển một nền tảng lượng tử dựa trên vật liệu hai chiều (2D) được gọi là boron nitride lục giác, do kích thước cực mỏng của nó, cho phép truy cập dễ dàng hơn vào các spin electron. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm nghiên cứu đã quay trở lại một vật liệu 3D có chứa các khiếm khuyết tự nhiên có tiềm năng lớn để kiểm soát các spin điện tử: kim cương.
Các khuyết tật nhỏ trong kim cương, được gọi là trung tâm khuyết nitơ (NV), được biết là chứa các spin electron có thể được điều khiển ở nhiệt độ phòng, không giống như nhiều hệ thống lượng tử khác yêu cầu nhiệt độ gần bằng không. Mỗi trung tâm NV phát ra ánh sáng cung cấp thông tin về trạng thái lượng tử của spin.
Bassett giải thích tại sao điều quan trọng là phải xem xét cả con đường 2D và 3D trong công nghệ lượng tử:
“Các nền tảng vật liệu khác nhau ở các cấp độ phát triển khác nhau và cuối cùng chúng sẽ hữu ích cho các ứng dụng khác nhau. Khiếm khuyết trong vật liệu 2D rất phù hợp để cảm nhận độ gần trên bề mặt và cuối cùng chúng có thể tốt cho các ứng dụng khác, như quang tử lượng tử tích hợp thiết bị, “Bassett nói. “Tuy nhiên, ngay bây giờ, trung tâm NV kim cương chỉ đơn giản là nền tảng tốt nhất để xử lý thông tin lượng tử ở nhiệt độ phòng. Đây cũng là một ứng cử viên hàng đầu để xây dựng mạng lưới truyền thông lượng tử quy mô lớn.”
Cho đến nay, chỉ có thể đạt được sự kết hợp các tính chất lượng tử mong muốn được yêu cầu cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này bằng cách sử dụng các trung tâm NV được nhúng sâu trong các tinh thể kim cương 3D số lượng lớn.
Thật không may, những trung tâm NV được nhúng sâu có thể khó truy cập vì chúng không nằm ngay trên bề mặt của viên kim cương. Thu thập ánh sáng từ những khuyết tật khó tiếp cận này thường đòi hỏi một kính hiển vi quang học cồng kềnh trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát cao. Nhóm của Bassett muốn tìm một cách tốt hơn để thu thập ánh sáng từ các trung tâm NV, một mục tiêu mà họ có thể thực hiện được bằng cách thiết kế một kim loại chuyên dụng để tránh sự cần thiết của một chiếc kính hiển vi lớn, đắt tiền.
“Chúng tôi đã sử dụng khái niệm metasurface để thiết kế và chế tạo cấu trúc trên bề mặt kim cương hoạt động như một thấu kính để thu thập các photon từ một qubit trong kim cương và hướng chúng vào một sợi quang, trong khi trước đây điều này đòi hỏi một lượng lớn, tự do kính hiển vi quang học không gian, “Bassett nói. “Đây là bước quan trọng đầu tiên trong nỗ lực lớn hơn của chúng tôi để nhận ra các thiết bị lượng tử nhỏ gọn không yêu cầu một phòng chứa đầy các thiết bị điện tử và quang học không gian tự do.”
Metasurfaces bao gồm các mẫu phức tạp, có kích thước nano có thể đạt được các hiện tượng vật lý nếu không thể ở cấp độ vĩ mô. Metalens của các nhà nghiên cứu bao gồm một trường cột, mỗi cột cao 1 micromet và đường kính 100-250 nanomet, được sắp xếp sao cho chúng tập trung ánh sáng như một thấu kính cong truyền thống. Được khắc trên bề mặt kim cương và thẳng hàng với một trong những trung tâm NV bên trong, các kim loại dẫn ánh sáng biểu thị trạng thái quay của electron trực tiếp vào sợi quang, hợp lý hóa quá trình thu thập dữ liệu.
“Các kim loại thực tế có chiều dài khoảng 30 micron, tương đương với đường kính của một sợi tóc. Nếu bạn nhìn vào mảnh kim cương mà chúng tôi chế tạo nó, bạn không thể nhìn thấy nó. Hầu hết, bạn có thể thấy một bóng tối lốm đốm, “Huang nói. “Chúng tôi thường nghĩ rằng các thấu kính là tiêu điểm hoặc đối chiếu, nhưng, với cơ sở hạ tầng, chúng tôi có quyền tự do thiết kế bất kỳ loại cấu hình nào chúng tôi muốn. Nó cho phép chúng tôi tự do điều chỉnh mô hình phát xạ hoặc cấu hình của bộ phát lượng tử, như một trung tâm NV, điều này là không thể, hoặc rất khó khăn, với quang học không gian trống. “
Để thiết kế kim loại của họ, Bassett, Huang và Grote đã phải tập hợp một nhóm với nhiều kiến thức đa dạng, từ cơ học lượng tử đến kỹ thuật điện đến công nghệ nano. Bassett tin rằng Trung tâm Công nghệ nano Singh đóng vai trò quan trọng trong khả năng chế tạo vật lý kim loại của họ.
“Công nghệ nano là một thành phần chính của dự án này,” Bassett nói. “Chúng tôi cần phải đạt được kỹ thuật in khắc độ phân giải cao và khắc chính xác để chế tạo một loạt các ống nano kim cương ở quy mô nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Kim cương là một vật liệu đầy thách thức để xử lý, và đó là công việc chuyên dụng của Richard tại Trung tâm Singh đã cho phép điều này Chúng tôi cũng may mắn được hưởng lợi từ đội ngũ nhân viên phòng sạch có kinh nghiệm. Gerald đã giúp chúng tôi phát triển các kỹ thuật in khắc chùm tia điện tử. Chúng tôi cũng đã có sự giúp đỡ từ Meredith Metzler, Giám đốc khu vực phim mỏng tại Trung tâm Singh, trong việc phát triển khắc kim cương. “
Mặc dù chế tạo nano đi kèm với những thách thức của nó, tính linh hoạt được cung cấp bởi kỹ thuật metasurface cung cấp những lợi thế quan trọng cho các ứng dụng công nghệ lượng tử trong thế giới thực:
“Chúng tôi quyết định thu thập ánh sáng từ các trung tâm NV để đi đến một sợi quang, vì nó dễ dàng giao tiếp với các kỹ thuật khác đã được phát triển cho các công nghệ sợi quang nhỏ gọn trong thập kỷ qua,” Huang nói. “Khả năng tương thích với các cấu trúc quang tử khác cũng rất quan trọng. Có thể có các cấu trúc khác mà bạn muốn đặt trên viên kim cương, và các kim loại của chúng tôi không loại trừ các cải tiến quang học khác.”
Nghiên cứu này chỉ là một trong nhiều bước hướng tới mục tiêu nén công nghệ lượng tử vào các hệ thống hiệu quả hơn. Phòng thí nghiệm của Bassett có kế hoạch tiếp tục khám phá cách khai thác tốt nhất tiềm năng lượng tử của vật liệu 2D và 3D.
“Lĩnh vực kỹ thuật lượng tử đang phát triển nhanh chóng phần lớn nhờ sự hội tụ của các ý tưởng và chuyên môn từ nhiều ngành bao gồm vật lý, khoa học vật liệu, quang tử và điện tử,” Bassett nói. “Penn Engineering vượt trội trong tất cả các lĩnh vực này, vì vậy chúng tôi mong muốn có nhiều tiến bộ hơn trong tương lai. Cuối cùng, chúng tôi muốn chuyển công nghệ này ra khỏi phòng thí nghiệm và vào thế giới thực nơi nó có thể tác động đến cuộc sống hàng ngày của chúng tôi. “
Công trình này được Quỹ khoa học quốc gia hỗ trợ thông qua các giải thưởng ECCS-1553511 và ECCS-1842655, và bởi Tổ chức nghiên cứu khoa học Hà Lan theo Chương trình khung thứ bảy của Liên minh châu Âu, (FP / 2007-2013) / Thỏa thuận cấp ERC số. 337328, Nano-EnablesPV. Các cơ sở và thiết bị đã được NSF hỗ trợ thông qua Trung tâm khoa học và kỹ thuật nghiên cứu vật liệu của Penn theo DMR-1720530 và thông qua Cơ sở hạ tầng phối hợp công nghệ Nano quốc gia theo ECCS-1542153.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Pennsylvania . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :