Le bleu brillant du diamant Hope est causé par de petites impuretés dans sa structure cristalline. Des impuretés de diamant similaires donnent également de l’espoir aux scientifiques qui cherchent à créer des matériaux pouvant être utilisés pour l’informatique quantique et la détection quantique.
Dans une nouvelle recherche du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), des chercheurs ont créé des membranes extrêmement fines de diamant pur. Cependant, à quelques endroits de la structure cristalline de la membrane, l’équipe a remplacé les atomes de carbone par d’autres atomes, notamment l’azote. Ces défauts se connectent aux lacunes atomiques voisines – des régions où un atome est manquant – créant des systèmes quantiques inhabituels appelés « centres de couleur ». Ces centres de couleurs sont des sites de stockage et de traitement d’informations quantiques.
Équipés d’un moyen de créer facilement et à moindre coût des membranes en diamant dotées de centres de couleur robustes, les scientifiques d’Argonne espèrent construire une sorte de chaîne de montage permettant de générer un grand nombre de ces membranes pour des expériences quantiques dans le monde entier.
La capacité de faire croître les membranes pourrait être le moyen d’améliorer la collaboration entre différents laboratoires consacrés à la science de l’information quantique, a déclaré Xinghan Guo, étudiant diplômé de l’Université de Chicago, auteur principal de l’étude.
« Essentiellement, nous espérons que cela nous donnera éventuellement la possibilité de devenir un guichet unique pour les matériaux de détection quantique », a déclaré Guo.
« Les défauts du diamant nous intéressent car ils peuvent être exploités pour des applications quantiques », a déclaré Nazar Delegan, scientifique de la division Science des matériaux d’Argonne et de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago et collaborateur de Q-NEXT. « La fabrication de ces membranes nous permet d’intégrer ces défauts à d’autres systèmes et permet de nouvelles configurations expérimentales. »
Le diamant est mécaniquement dur, chimiquement stable et généralement coûteux – en d’autres termes, c’est une sorte de cauchemar scientifique, notoirement difficile à fabriquer et à intégrer. Dans le même temps, la structure particulière du diamant en fait un hôte idéal pour les centres de couleur qui peuvent stocker des informations quantiques pendant une longue période, a déclaré Guo.
« Le diamant conventionnel en tant que substrat est très difficile à travailler », a-t-il déclaré. « Nos membranes sont plus fines et plus accessibles pour un large éventail d’expériences. »
Le nouveau matériau en diamant mis au point par les chercheurs offre une meilleure qualité de cristal et de surface, permettant un meilleur contrôle de la cohérence des centres de couleur.
« Vous pouvez décoller la membrane et la mettre sur une large gamme de substrats, même la mettre sur une plaquette de silicium. C’est un moyen bon marché, flexible et facile de travailler avec des centres de couleur sans avoir à travailler directement avec du diamant conventionnel », a déclaré Guo. .
« Parce que nous sommes capables de contrôler et de maintenir les propriétés quantiques des défauts individuels au sein de ces matériaux très fins, cela rend cette plate-forme prometteuse comme base pour une technologie quantique », a déclaré Delegan.
Un article basé sur l’étude est paru dans l’édition en ligne du 13 décembre 2021 de Nano-lettres.
Xinghan Guo et al, Membranes de diamant accordables et transférables pour les technologies quantiques intégrées, Nano-lettres (2021). DOI : 10.1021/acs.nanolett.1c03703