En el nivel químico, los diamantes no son más que átomos de carbono alineados en una red cristalina tridimensional 3D precisa. Sin embargo, incluso un diamante aparentemente sin defectos contiene defectos: manchas en esa red donde falta un átomo de carbono o tienehan sido reemplazados por algo más. Algunos de estos defectos son altamente deseables; atrapan electrones individuales que pueden absorber o emitir luz, causando los diversos colores que se encuentran en las piedras preciosas de diamantes y, lo que es más importante, creando una plataforma para diversas tecnologías cuánticas para computación avanzada, seguracomunicación y detección de precisión.
Las tecnologías cuánticas se basan en unidades de información cuántica conocidas como "qubits". El giro de los electrones son los principales candidatos para servir como qubits; a diferencia de los sistemas informáticos binarios donde los datos toman la forma de solo 0 o 1, el giro de electrones puede representar la información como0, 1, o ambos simultáneamente en una superposición cuántica. Qubits de diamantes son de particular interés para los científicos cuánticos porque sus propiedades de mecánica cuántica, incluida la superposición, existen a temperatura ambiente, a diferencia de muchos otros recursos cuánticos potenciales.
Sin embargo, el desafío práctico de recopilar información de un solo átomo en el interior de un cristal es desalentador. Los ingenieros de Penn abordaron este problema en un estudio reciente en el que idearon una forma de modelar la superficie de un diamante que hace que sea más fácilrecoge la luz de los defectos en el interior. Llamada metalens, esta estructura de superficie contiene características a nanoescala que doblan y enfocan la luz emitida por los defectos, a pesar de ser efectivamente plana.
La investigación fue dirigida por Lee Bassett, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, el estudiante graduado Tzu-Yung Huang, y el investigador postdoctoral Richard Grote del laboratorio de Bassett.
Los miembros adicionales de Bassett Lab, David Hopper, Annemarie Exarhos y Garrett Kaighn contribuyeron al trabajo, al igual que Gerald López, director de Desarrollo de Negocios en el Centro Singh de Nanotecnología, y dos miembros del Centro de Nanofotónica de Amsterdam, Sander Mann y Erik Garnett.
El estudio fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
La clave para aprovechar el poder potencial de los sistemas cuánticos es poder crear o encontrar estructuras que permitan manipular y medir de manera confiable el espín electrónico, una tarea difícil considerando la fragilidad de los estados cuánticos.
El laboratorio de Bassett aborda este desafío desde varias direcciones. Recientemente, el laboratorio desarrolló una plataforma cuántica basada en un material bidimensional 2D llamado nitruro de boro hexagonal que, debido a sus dimensiones extremadamente delgadas, permite un acceso más fácil al electróngiros. En el estudio actual, el equipo volvió a un material 3D que contiene imperfecciones naturales con un gran potencial para controlar los giros de electrones: diamantes.
Se sabe que los pequeños defectos en los diamantes, llamados centros de vacío de nitrógeno NV, albergan espines de electrones que pueden manipularse a temperatura ambiente, a diferencia de muchos otros sistemas cuánticos que exigen temperaturas cercanas al cero absoluto. Cada centro de NV emite luz que proporciona informaciónsobre el estado cuántico del giro.
Bassett explica por qué es importante considerar las vías 2D y 3D en la tecnología cuántica :
"Las diferentes plataformas de materiales se encuentran en diferentes niveles de desarrollo, y en última instancia serán útiles para diferentes aplicaciones. Los defectos en los materiales 2D son ideales para la detección de proximidad en superficies, y eventualmente podrían ser buenos para otras aplicaciones, como las integradasdispositivos fotónicos cuánticos ", dice Bassett." En este momento, sin embargo, el centro de diamante NV es simplemente la mejor plataforma para el procesamiento de información cuántica a temperatura ambiente. También es un candidato líder para construir redes de comunicación cuántica a gran escala ".
Hasta ahora, solo ha sido posible lograr la combinación de propiedades cuánticas deseables que se requieren para estas exigentes aplicaciones que utilizan centros NV incrustados en lo profundo de cristales 3D de diamante a granel.
Desafortunadamente, esos centros NV profundamente incrustados pueden ser de difícil acceso ya que no están justo en la superficie del diamante. La recolección de luz de esos defectos difíciles de alcanzar generalmente requiere un microscopio óptico voluminoso en un entorno de laboratorio altamente controlado.El equipo quería encontrar una mejor manera de recolectar luz de los centros NV, un objetivo que pudieron lograr mediante el diseño de una metalens especializada que evita la necesidad de un microscopio grande y costoso.
"Utilizamos el concepto de una meta-superficie para diseñar y fabricar una estructura en la superficie del diamante que actúa como una lente para recolectar fotones de un solo qubit en diamante y dirigirlos a una fibra óptica, mientras que anteriormente esto requería una granmicroscopio óptico de espacio libre ", dice Bassett." Este es un primer paso clave en nuestro esfuerzo más amplio para realizar dispositivos cuánticos compactos que no requieren una habitación llena de componentes electrónicos y componentes ópticos de espacio libre ".
Metasuperficies consisten en patrones intrincados, a nanoescala que pueden lograr fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles en la macroescala. Las metalens de los investigadores consisten en un campo de pilares, cada uno de 1 micrómetro de alto y 100-250 nanómetros de diámetro, dispuestos de tal manera queenfoca la luz como una lente curva tradicional. Grabada en la superficie del diamante y alineada con uno de los centros NV en el interior, la metalens guía la luz que representa el estado de giro del electrón directamente en una fibra óptica, optimizando el proceso de recopilación de datos.
"La metalens real tiene aproximadamente 30 micras de ancho, que es aproximadamente del diámetro de un cabello. Si miras el pedazo de diamante en el que lo fabricamos, no puedes verlo. Como mucho, puedes veruna mancha oscura ", dice Huang." Por lo general, pensamos en las lentes como enfoque o colimación, pero, con una metaestructura, tenemos la libertad de diseñar cualquier tipo de perfil que queramos. Nos da la libertad de adaptar el patrón de emisión oel perfil de un emisor cuántico, como un centro NV, que no es posible, o es muy difícil, con óptica de espacio libre ".
Para diseñar sus metalens, Bassett, Huang y Grote tuvieron que reunir un equipo con una amplia gama de conocimientos, desde mecánica cuántica hasta ingeniería eléctrica y nanotecnología. Bassett acredita que el Centro Singh de Nanotecnología desempeña un papel fundamental en su capacidad para físicamenteconstruir las metalenas.
"La nanofabricación fue un componente clave de este proyecto", dice Bassett. "Necesitábamos lograr una litografía de alta resolución y un grabado preciso para fabricar una serie de nanopilares de diamantes en escalas de longitud más pequeñas que la longitud de onda de la luz. El diamante es un material desafianteprocesar, y fue el trabajo dedicado de Richard en el Centro Singh lo que permitió esta capacidad. También tuvimos la suerte de beneficiarnos del experimentado personal de salas limpias. Gerald nos ayudó a desarrollar las técnicas de litografía con haz de electrones. También tuvimos la ayuda de Meredith Metzler, laGerente de área de película delgada en el Centro Singh, en el desarrollo del grabado de diamantes "
Aunque la nanofabricación presenta sus desafíos, la flexibilidad que ofrece la ingeniería de metasuperficie brinda importantes ventajas para las aplicaciones de la tecnología cuántica en el mundo real :
"Decidimos colimar la luz de los centros NV para ir a una fibra óptica, ya que interactúa fácilmente con otras técnicas que se han desarrollado para tecnologías compactas de fibra óptica durante la última década", dice Huang. "La compatibilidad con otraslas estructuras fotónicas también son importantes. Puede haber otras estructuras que desee colocar en el diamante, y nuestra metalens no excluye esas otras mejoras ópticas ".
Este estudio es solo uno de los muchos pasos hacia el objetivo de compactar la tecnología cuántica en sistemas más eficientes. El laboratorio de Bassett planea continuar explorando cómo aprovechar mejor el potencial cuántico de los materiales 2D y 3D.
"El campo de la ingeniería cuántica está avanzando rápidamente ahora en gran parte debido a la convergencia de ideas y experiencia de muchas disciplinas, incluida la física, la ciencia de los materiales, la fotónica y la electrónica", dice Bassett. "Penn Engineering sobresale en todas estas áreas, por lo queEsperamos muchos más avances en el futuro. En última instancia, queremos hacer la transición de esta tecnología fuera del laboratorio al mundo real, donde puede tener un impacto en nuestra vida cotidiana ".
Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation a través de los premios ECCS-1553511 y ECCS-1842655, y por la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica bajo el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea, FP / 2007-2013 / ERC acuerdo de subvención no.337328, Nano-EnabledPV. Las instalaciones y la instrumentación fueron apoyadas por la NSF a través del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Penn bajo la subvención DMR-1720530 y a través de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nano-tecnología bajo la subvención ECCS-1542153.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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