Des chercheurs de la North Carolina State University ont mis au point une nouvelle technique pour créer des nanodiamants monocristallins dopés au NV, seulement quatre à huit nanomètres de large, qui pourraient servir de composants dans les technologies d'informatique quantique à température ambiante. Ces nanodiamants dopés sont également prometteurs pour une utilisation dans des capteurs à photon unique et non toxiques, biomarqueurs fluorescents.

Actuellement, les ordinateurs utilisent la logique binaire, dans lequel chaque unité binaire - ou bit - est dans l'un des deux états :1 ou 0. L'informatique quantique utilise la superposition et l'intrication, permettant la création de bits quantiques - ou qubits - qui peuvent avoir un grand nombre d'états possibles. L'informatique quantique a le potentiel d'augmenter considérablement la puissance et la vitesse de calcul.

Un certain nombre d'options ont été explorées pour créer des systèmes d'informatique quantique, y compris l'utilisation de diamants qui ont des centres de « vacance d'azote ». C'est là qu'intervient cette recherche.

Normalement, le diamant a une structure cristalline très spécifique, constitué de tétraèdres en diamant répétés, ou cubes. Chaque cube contient cinq atomes de carbone. L'équipe de recherche de l'État de Caroline du Nord a développé une nouvelle technique pour créer des tétraèdres en diamant qui ont deux atomes de carbone; un poste vacant, où un atome manque ; un atome de carbone-13 (un isotope stable du carbone qui a six protons et sept neutrons); et un atome d'azote. C'est ce qu'on appelle le centre NV. Chaque nanodiamant dopé NV contient des milliers d'atomes, mais n'a qu'un seul centre NV ; le reste des tétraèdres du nanodiamant sont constitués uniquement de carbone.

C'est une distinction atomiquement petite, mais ça fait une grosse différence.

"Ce petit point, le centre NV, transforme le nanodiamant en qubit, " dit Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering à NC State et auteur principal d'un article décrivant le travail. "Chaque centre NV a deux transitions:NV0 et NV-. Nous pouvons aller et venir entre ces deux états en utilisant un courant électrique ou un laser. Ces nanodiamants pourraient servir de blocs de construction de base à un ordinateur quantique."

Pour créer ces nanodiamants dopés NV, les chercheurs partent d'un substrat, tels que tels que le saphir, verre ou un polymère plastique. Le substrat est ensuite revêtu de carbone amorphe - carbone élémentaire qui, contrairement au graphite ou au diamant, n'a pas d'habitué, structure cristalline bien définie. Lors du dépôt du film de carbone amorphe, les chercheurs le bombardent d'ions azote et d'ions carbone-13. Le carbone est ensuite frappé avec une impulsion laser qui élève la température du carbone à environ 4, 000 Kelvin (ou environ 3, 727 degrés Celsius) et est ensuite rapidement trempé. L'opération est terminée en un millionième de seconde et se déroule à une atmosphère - la même pression que l'air ambiant. En utilisant différents substrats et en modifiant la durée de l'impulsion laser, les chercheurs peuvent contrôler la vitesse à laquelle le carbone se refroidit, ce qui leur permet de créer les structures de nanodiamant.

« Notre approche réduit les impuretés ; contrôle la taille du nanodiamant dopé NV ; nous permet de placer les nanodiamants avec une bonne précision ; et incorpore directement du carbone-13 dans le matériau, ce qui est nécessaire pour créer l'intrication requise en informatique quantique, ", dit Narayan. "Tous les nanodiamants sont exactement alignés à travers le paradigme de l'épitaxie de correspondance de domaine, ce qui est une avancée significative par rapport aux techniques existantes pour la création de nanodiamants dopés NV."

"La nouvelle technique offre non seulement un contrôle et une uniformité sans précédent dans les nanodiamants dopés NV, elle est aussi moins chère que les techniques existantes, " dit Narayan. " Espérons que, cela permettra des avancées significatives dans le domaine de l'informatique quantique."

Les chercheurs discutent actuellement avec le gouvernement et des groupes du secteur privé sur la façon d'aller de l'avant. Un domaine d'intérêt est de développer un moyen de créer des systèmes d'auto-assemblage qui incorporent des nanodiamants dopés NV enchevêtrés pour l'informatique quantique.

Le papier, "Nouvelle synthèse et propriétés de nanodiamants purs et dopés NV et d'autres nanostructures, " est publié dans la revue Lettres de recherche sur les matériaux .