在化学水平上,钻石不超过在精确的三维(3-D)晶格中排列的碳原子。然而,即使是看似完美无瑕的钻石也含有缺陷:晶格中缺少碳原子或被其他东西取代的斑点。其中一些缺陷是非常需要的; 它们捕获可以吸收或发射光的单个电子,从而产生钻石宝石中的各种颜色,更重要的是,为高级计算,安全通信和精确传感创建各种量子技术的平台。

量子技术基于称为“量子比特”的量子信息单位。电子自旋是作为量子位的主要候选者; 与数据仅采用0或1的形式的二进制计算系统不同,电子自旋可以在量子叠加中同时将信息表示为0,1或两者。从量子位的钻石是特别感兴趣的量子科学家,因为他们的量子力学性能,包括叠加,在室温下存在,不像许多其他潜在的量子资源。

然而,从晶体内部的单个原子收集信息的实际挑战是令人生畏的。宾夕法尼亚大学工程师在最近的一项研究中解决了这个问题,他们设计了一种方法来模拟钻石表面,使其更容易从内部缺陷中收集光线。这种表面结构称为metalens,包含纳米级特征,可以弯曲和聚焦缺陷发出的光,尽管它们是有效平坦的。

该研究由电子与系统工程系助理教授Lee Bassett,研究生Tzu-Yung Huang和Bassett实验室的博士后研究员Richard Grote领导。

其他Bassett Lab成员David Hopper,Annemarie Exarhos和Garrett Kaighn也为这项工作做出了贡献,辛格纳米技术中心业务发展总监Gerald Lopez以及阿姆斯特丹纳米光子学中心的两名成员Sander Mann和Erik Garnett也做出了贡献。

该研究发表在Nature Communications上。

利用量子系统的潜在力量的关键是能够创建或找到允许电子自旋被可靠地操纵和测量的结构,考虑到量子态的脆弱性是一项艰巨的任务。

研究人员的metalens由许多小纳米柱组成,近似于菲涅耳透镜将光从钻石氮空位(NV)中心引导到光纤中的效果,无需使用庞大的显微镜。图片来源:Nature Communications

巴塞特的实验室从多个方向接近这一挑战。最近,该实验室开发了一种基于二维(2-D)材料的量子平台,称为六角形氮化硼,由于其极薄的尺寸,可以更容易地接触电子自旋。在目前的研究中,该团队返回了一种三维材料,其中包含天然缺陷,具有控制电子旋转的巨大潜力:钻石。

众所周知,钻石中的小缺陷(称为氮空位(NV)中心)具有可在室温下操纵的电子自旋,这与许多其他要求温度接近绝对零度的量子系统不同。每个NV中心发出的光提供有关自旋量子态的信息。

Bassett解释了为什么考虑量子技术中的二维和三维途径非常重要:

“不同的材料平台处于不同的开发水平,它们最终将用于不同的应用.2-D材料的缺陷非常适合表面上的接近感应,它们最终可能适用于其他应用,例如集成量子光子器件,“巴塞特说。“然而,现在,钻石NV中心只是室温量子信息处理的最佳平台。它也是构建大规模量子通信网络的主要候选者。”

到目前为止,只有使用嵌入深入钻石的3-D晶体内部的NV中心才能实现这些要求苛刻的应用所需的量子特性的组合。

不幸的是,那些深度嵌入的NV中心很难进入,因为它们不在钻石表面。从那些难以到达的缺陷中收集光线通常需要在高度受控的实验室环境中使用庞大的光学显微镜。Bassett的团队希望找到一种更好的方法来收集NV中心的光线,这是他们通过设计一个专门的元透镜来实现的目标,这种元透镜可以避免使用大型昂贵的显微镜。

“我们使用表面的概念来设计和制造钻石表面上的结构,其结构就像一个透镜,用于从钻石中的单个量子位收集光子并将它们引导到光纤中,而之前需要一个大的,自由的 -太空光学显微镜,“巴塞特说。“这是我们努力实现紧凑型量子器件的第一个关键步骤,这些器件不需要充满电子和自由空间光学元件的房间。”

超颖表面由复杂的纳米级图案组成,这些图案可以实现在宏观尺度上不可能实现的物理现象。研究人员的metalens由一个柱子组成,每个柱子高1微米,直径100-250纳米,排列方式使它们像传统的弯曲透镜一样聚焦光线。蚀刻在金刚石表面并与内部的NV中心对齐,元透镜将表示电子自旋状态的光直接引导到光纤中,简化数据采集过程。

“实际的metalens是大约30微米宽,大约是一块头发的直径。如果你看一下我们制作它的钻石,你就看不到它。最多,你可以看到一个黑色斑点,“黄说。“我们通常认为镜头是聚焦或准直的,但是,通过元结构,我们可以自由地设计我们想要的任何类型的轮廓。它使我们可以自由地定制发射模式或量子发射器的轮廓,如NV中心,这是一个不可能或非常困难的自由空间光学系统。“

为了设计他们的元素,Bassett,Huang和Grote必须组建一个拥有各种知识的团队,从量子力学到电气工程再到纳米技术。巴塞特认为,辛格纳米技术中心在物理构建元透镜的能力方面起着关键作用。

“纳米加工是该项目的关键组成部分,”巴塞特说。“我们需要实现高分辨率光刻和精确蚀刻,以制造长度小于光波长的金刚石纳米柱阵列。钻石是一种极具挑战性的加工材料,理查德在辛格中心的专门工作使得这一点成为可能。我们也很幸运能够从经验丰富的洁净室工作人员那里获益。杰拉德帮助我们开发了电子束光刻技术。我们还得到了辛格中心薄膜区域经理Meredith Metzler的帮助,开发了金刚石蚀刻。

虽然纳米加工带来了挑战,但是超晶面工程所提供的灵活性为量子技术的实际应用提供了重要的优势:

“我们决定将来自NV中心的光准直到光纤,因为它很容易与过去十年中为紧凑型光纤技术开发的其他技术接口,”Huang说。“与其他光子结构的兼容性也很重要。可能还有其他结构需要放在钻石上,我们的metalens并不排除那些其他光学增强。”

这项研究只是实现将量子技术压缩到更高效系统的目标的众多步骤之一。Bassett的实验室计划继续探索如何最好地利用二维和三维材料的量子势。

“ 量子工程领域现在正在迅速发展,这在很大程度上归功于来自物理学,材料科学,光子学和电子学等许多学科的思想和专业知识的融合,”巴塞特说。“Penn Engineering在所有这些领域都表现出色,所以我们期待未来会有更多的进步。最终,我们希望将这项技术从实验室转移到现实世界,在那里它可以对我们的日常生活产生影响。 “