Au niveau chimique, les diamants ne sont que des atomes de carbone alignés de manière précise, réseau cristallin tridimensionnel (3D). Cependant, même un diamant apparemment sans défaut contient des défauts :des points dans ce réseau où un atome de carbone manque ou a été remplacé par quelque chose d'autre. Certains de ces défauts sont hautement souhaitables; ils piègent des électrons individuels qui peuvent absorber ou émettre de la lumière, provoquant les différentes couleurs trouvées dans les pierres précieuses de diamant et, plus important, créer une plate-forme pour diverses technologies quantiques pour l'informatique avancée, communication sécurisée et détection de précision.

Les technologies quantiques sont basées sur des unités d'informations quantiques appelées « qubits ». Les spins des électrons sont des candidats de choix pour servir de qubits; contrairement aux systèmes informatiques binaires où les données ne prennent que la forme de 0 ou de 1, le spin électronique peut représenter l'information comme 0, 1, ou les deux simultanément dans une superposition quantique. Les qubits des diamants sont particulièrement intéressants pour les scientifiques quantiques car leurs propriétés de mécanique quantique, y compris la superposition, exister à température ambiante, contrairement à de nombreuses autres ressources quantiques potentielles.

Le défi pratique de collecter des informations à partir d'un seul atome profondément à l'intérieur d'un cristal est intimidant, toutefois. Penn Engineers a abordé ce problème dans une étude récente dans laquelle ils ont conçu un moyen de modeler la surface d'un diamant qui facilite la collecte de la lumière des défauts à l'intérieur. Appelé un métalens, cette structure de surface contient des caractéristiques à l'échelle nanométrique qui courbent et focalisent la lumière émise par les défauts, bien qu'il soit effectivement plat.

La recherche a été dirigée par Lee Bassett, Professeur adjoint au Département de génie électrique et des systèmes, étudiant diplômé Tzu-Yung Huang, et le chercheur postdoctoral Richard Grote du laboratoire de Bassett.

Les autres membres du Bassett Lab David Hopper, Annemarie Exarhos et Garrett Kaighn ont contribué aux travaux, tout comme Gerald Lopez, directeur du développement commercial au Singh Center for Nanotechnology, et deux membres du Centre de nanophotonique d'Amsterdam, Sander Mann et Erik Garnett.

L'étude a été publiée dans Communication Nature .

La clé pour exploiter la puissance potentielle des systèmes quantiques est de pouvoir créer ou trouver des structures qui permettent de manipuler et de mesurer de manière fiable le spin des électrons, une tâche difficile compte tenu de la fragilité des états quantiques.

Le laboratoire de Bassett aborde ce défi sous plusieurs angles. Récemment, le laboratoire a développé une plate-forme quantique basée sur un matériau bidimensionnel (2-D) appelé nitrure de bore hexagonal qui, en raison de ses dimensions extrêmement minces, permet un accès plus facile aux spins des électrons. Dans l'étude actuelle, l'équipe est revenue à un matériau 3-D qui contient des imperfections naturelles avec un grand potentiel pour contrôler les spins des électrons :les diamants.

Petits défauts dans les diamants, appelés centres de vacance d'azote (NV), sont connus pour abriter des spins électroniques qui peuvent être manipulés à température ambiante, contrairement à de nombreux autres systèmes quantiques qui exigent des températures proches du zéro absolu. Chaque centre NV émet de la lumière qui fournit des informations sur l'état quantique du spin.

Bassett explique pourquoi il est important de considérer à la fois les voies 2D et 3D de la technologie quantique :

« Les différentes plateformes matérielles sont à différents niveaux de développement, et ils seront finalement utiles pour différentes applications. Les défauts des matériaux 2D sont parfaitement adaptés à la détection de proximité sur les surfaces, et ils pourraient éventuellement être utiles pour d'autres applications, tels que les dispositifs photoniques quantiques intégrés, " dit Bassett. " En ce moment, cependant, le centre Diamond NV est tout simplement la meilleure plate-forme pour le traitement de l'information quantique à température ambiante. C'est également un candidat de premier plan pour la construction de réseaux de communication quantique à grande échelle. »

Jusque là, il n'a été possible d'obtenir la combinaison des propriétés quantiques souhaitables requises pour ces applications exigeantes qu'en utilisant des centres NV profondément enfouis dans des cristaux 3D massifs de diamant.

Malheureusement, ces centres NV profondément enracinés peuvent être difficiles d'accès car ils ne sont pas juste à la surface du diamant. La collecte de la lumière de ces défauts difficiles à atteindre nécessite généralement un microscope optique encombrant dans un environnement de laboratoire hautement contrôlé. L'équipe de Bassett voulait trouver un meilleur moyen de collecter la lumière des centres NV, un objectif qu'ils ont pu accomplir en concevant un métal spécialisé qui évite le besoin d'un grand, microscope coûteux.

"Nous avons utilisé le concept de métasurface pour concevoir et fabriquer une structure à la surface du diamant qui agit comme une lentille pour collecter des photons à partir d'un seul qubit dans le diamant et les diriger vers une fibre optique, alors qu'auparavant cela nécessitait une grande microscope optique en espace libre, " dit Bassett. " Il s'agit d'une première étape clé dans notre effort plus large pour réaliser des dispositifs quantiques compacts qui ne nécessitent pas une pièce remplie d'électronique et de composants optiques en espace libre. "

Les métasurfaces sont constituées de complexes, des modèles à l'échelle nanométrique qui peuvent réaliser des phénomènes physiques autrement impossibles à l'échelle macroscopique. Les métaux des chercheurs sont constitués d'un champ de piliers, chaque 1 micromètre de haut et 100-250 nanomètres de diamètre, disposés de telle manière qu'ils concentrent la lumière comme une lentille incurvée traditionnelle. Gravé sur la surface du diamant et aligné avec l'un des centres NV à l'intérieur, les métaux guident la lumière qui représente l'état de spin de l'électron directement dans une fibre optique, rationaliser le processus de collecte de données.

"Les métaux réels mesurent environ 30 microns de diamètre, qui correspond à peu près au diamètre d'un cheveu. Si vous regardez le morceau de diamant sur lequel nous l'avons fabriqué, vous ne pouvez pas le voir. Au plus, vous pouviez voir une tache sombre, " dit Huang. " Nous pensons généralement aux lentilles comme à la focalisation ou à la collimation, mais, avec une métastructure, nous avons la liberté de concevoir tout type de profil que nous voulons. Il nous donne la liberté d'adapter le modèle d'émission ou le profil d'un émetteur quantique, comme un centre NV, ce qui n'est pas possible, ou est très difficile, avec des optiques en espace libre."

Pour concevoir leurs métaux, Bassett, Huang et Grote ont dû constituer une équipe avec un large éventail de connaissances, de la mécanique quantique à l'électrotechnique en passant par les nanotechnologies. Bassett attribue au Singh Center for Nanotechnology un rôle essentiel dans sa capacité à construire physiquement les métaux.

« La nanofabrication était un élément clé de ce projet, " dit Bassett. " Nous avions besoin d'une lithographie à haute résolution et d'une gravure précise pour fabriquer un réseau de nanopiliers en diamant sur des échelles de longueur inférieures à la longueur d'onde de la lumière. Le diamant est un matériau difficile à traiter, et c'est le travail dévoué de Richard au Singh Center qui a permis cette capacité. Nous avons également eu la chance de bénéficier du personnel expérimenté en salle blanche. Gerald nous a aidés à développer les techniques de lithographie par faisceau d'électrons. Nous avons également eu l'aide de Meredith Metzler, le responsable de la zone couche mince au centre Singh, dans le développement de la gravure au diamant."

Bien que la nanofabrication comporte ses défis, la flexibilité offerte par l'ingénierie des métasurfaces offre des avantages importants pour les applications réelles de la technologie quantique :

"Nous avons décidé de collimater la lumière des centres NV pour aller vers une fibre optique, car il s'interface facilement avec d'autres techniques qui ont été développées pour les technologies de fibre optique compactes au cours de la dernière décennie, " dit Huang. " La compatibilité avec d'autres structures photoniques est également importante. Il pourrait y avoir d'autres structures que vous voulez mettre sur le diamant, et nos métaux n'excluent pas ces autres améliorations optiques."

Cette étude n'est qu'une des nombreuses étapes vers l'objectif de compacter la technologie quantique en systèmes plus efficaces. Le laboratoire de Bassett prévoit de continuer à explorer la meilleure façon d'exploiter le potentiel quantique des matériaux 2D et 3D.

« Le domaine de l'ingénierie quantique progresse rapidement maintenant en grande partie grâce à la convergence des idées et de l'expertise de nombreuses disciplines, notamment la physique, la science des matériaux, photonique et électronique, " dit Bassett. " Penn Engineering excelle dans tous ces domaines, nous attendons donc avec impatience de nombreuses autres avancées à l'avenir. Finalement, nous voulons faire passer cette technologie du laboratoire au monde réel où elle peut avoir un impact sur notre vie quotidienne. »