Diamant-Nanokristalle, nämlich Nanodiamanten, die Punktdefekte wie Stickstoff-Leerstellen (NV)-Zentren beherbergen, sind ein vielversprechendes Quantenmaterial.
Eine zentrale Anforderung zur Realisierung praktischer Anwendungen ist die beliebige Platzierung einzelner NV-Zentren auf integrierten Schaltkreisen. Dies ist entscheidend für die Implementierung von Quantentechnologien, was zu einer Reihe aufregender Möglichkeiten und aufstrebender Felder wie Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantenmetrologie führt.
Es wird jedoch noch ein flexibler, universeller Weg benötigt, um eine Genauigkeit im Nanobereich, Skalierbarkeit, Kosteneffizienz und effiziente Kopplung mit einer Vielzahl von nanophotonischen Schaltkreisen zu erreichen.
Mehrere Verfahren, wie beispielsweise der ausgeklügelte „Pick-and-Place“-Nanomanipulationsansatz, wurden entwickelt, um die Nanodiamanten mit NV-Zentren auf verschiedenen Substraten und Schaltkreisen zu positionieren. Diese Voraussetzung leidet jedoch weiterhin unter grober Positioniergenauigkeit, geringem Durchsatz und Prozesskomplexität.
Das Team um Dr. Ji Tae Kim vom Department of Mechanical Engineering und Dr. Zhiqin Chu von der Electrical and Electronic Engineering der University of Hong Kong (HKU) hat ein Nanopräzisions-Druckverfahren für Stickstoffleerstellen (NV) entwickelt Zentren in Diamant auf der Quantenebene und erfüllen die technologischen Anforderungen.
Dieser neuartige Ansatz ist praktisch und kostengünstig und ebnet den Weg für die Herstellung von Quanteninformationsverarbeitungsgeräten, Quantencomputern und Biosensorgeräten.
Die Forschungsleistung wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Wissenschaft in einem Artikel mit dem Titel „On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level“.
Das NV-Zentrum ist ein Punktdefekt im Diamantgitter und der häufigste Defekt in Nanodiamanten. Es hat sich aufgrund seiner robusten Quantenzustände auch bei Raumtemperatur zu einem Kraftpaket für Quantensysteme entwickelt, während andere Quantensysteme wie supraleitende Quanteninterferenzgeräte nur bei kryogenen Temperaturen, dh von -150 Grad C (-238 Grad F) bis arbeiten können absoluter Nullpunkt (-273 Grad C oder -460 Grad F).
Insbesondere bietet dieses atomähnliche Festkörpergerät mit seinen optisch adressierbaren Spin-Freiheitsgraden die Schlüsselfunktionalitäten, um als Quantenbit und/oder Quantensensor in Festkörper-Quantenprozessoren zu dienen.
„Diamant ist das härteste Material, daher ist es schwierig, ihn herzustellen“
Die Forscher haben eine innovative Methode entwickelt, um dieses Problem anzugehen. Sie haben die elektrische Abgabe von mit Nanodiamanten beladenen Flüssigkeitströpfchen mit einem Volumen von weniger als einem Attoliter (–18 Liter) genutzt, um NV-Zentren direkt auf universellen Substraten zu platzieren.
„Nach unserem besten Wissen zeigt die entwickelte Technik zum ersten Mal eine Positionsgenauigkeit im Subwellenlängenbereich, eine Mengenkontrolle auf Einzeldefektebene und Freiformmusterungsfähigkeiten und erfüllt damit die technologischen Anforderungen, die einen bedeutenden Durchbruch in der Herstellung von Quantengeräten darstellen “, sagte Dr. Chu Zhiqin.
Zhaoyi Xu et al, On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level, Fortgeschrittene Wissenschaft (2021). DOI: 10.1002/adv.202103598