Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado una nueva técnica para crear nanodiamantes monocristalinos dopados con NV, sólo cuatro a ocho nanómetros de ancho, que podrían servir como componentes en tecnologías de computación cuántica a temperatura ambiente. Estos nanodiamantes dopados también son prometedores para su uso en sensores de fotón único y no tóxicos, biomarcadores fluorescentes.

En la actualidad, las computadoras usan lógica binaria, en el que cada unidad binaria, o bit, se encuentra en uno de dos estados:1 o 0. La computación cuántica hace uso de la superposición y el entrelazamiento, permitiendo la creación de bits cuánticos, o qubits, que pueden tener una gran cantidad de estados posibles. La computación cuántica tiene el potencial de aumentar significativamente la potencia y la velocidad de la computación.

Se han explorado varias opciones para crear sistemas de computación cuántica, incluido el uso de diamantes que tienen centros de "nitrógeno vacante". Ahí es donde entra esta investigación.

Normalmente, el diamante tiene una estructura cristalina muy específica, que consta de tetraedros de diamantes repetidos, o cubos. Cada cubo contiene cinco átomos de carbono. El equipo de investigación de NC State ha desarrollado una nueva técnica para crear tetraedros de diamantes que tienen dos átomos de carbono; una vacante, donde falta un átomo; un átomo de carbono 13 (un isótopo de carbono estable que tiene seis protones y siete neutrones); y un átomo de nitrógeno. Esto se llama centro NV. Cada nanodiamante dopado con NV contiene miles de átomos, pero tiene un solo centro NV; el resto de los tetraedros del nanodiamante están hechos únicamente de carbono.

Es una distinción atómicamente pequeña, pero hace una gran diferencia.

"Ese puntito, el centro NV, convierte el nanodiamante en un qubit, "dice Jay Narayan, John C. Fan, Profesor Distinguido de la Cátedra de Ciencia e Ingeniería de Materiales en NC State y autor principal de un artículo que describe el trabajo. "Cada centro NV tiene dos transiciones:NV0 y NV-. Podemos ir y venir entre estos dos estados usando corriente eléctrica o láser. Estos nanodiamantes podrían servir como los bloques de construcción básicos de una computadora cuántica".

Para crear estos nanodiamantes dopados con NV, los investigadores comienzan con un sustrato, como el zafiro, vidrio o un polímero plástico. Luego, el sustrato se recubre con carbono amorfo, carbono elemental que, a diferencia del grafito o el diamante, no tiene un regular, estructura cristalina bien definida. Mientras deposita la película de carbono amorfo, los investigadores lo bombardean con iones de nitrógeno e iones de carbono 13. Luego, el carbón se golpea con un pulso láser que eleva la temperatura del carbón a aproximadamente 4, 000 Kelvin (o alrededor de 3, 727 grados Celsius) y luego se apaga rápidamente. La operación se completa en una millonésima de segundo y tiene lugar en una atmósfera, la misma presión que el aire circundante. Usando diferentes sustratos y cambiando la duración del pulso láser, los investigadores pueden controlar la rapidez con la que se enfría el carbono, lo que les permite crear las estructuras de nanodiamantes.

"Nuestro enfoque reduce las impurezas; controla el tamaño del nanodiamante dopado con NV; nos permite colocar los nanodiamantes con bastante precisión; e incorpora directamente carbono-13 en el material, que es necesario para crear el entrelazamiento requerido en la computación cuántica, "Dice Narayan." Todos los nanodiamantes están alineados exactamente a través del paradigma de la epitaxia de coincidencia de dominios, lo cual es un avance significativo sobre las técnicas existentes para crear nanodiamantes dopados con NV ".

"La nueva técnica no solo ofrece un control y una uniformidad sin precedentes en los nanodiamantes dopados con NV, también es menos costoso que las técnicas existentes, "Dice Narayan." Con suerte, esto permitirá avances significativos en el campo de la computación cuántica ".

Actualmente, los investigadores están hablando con grupos gubernamentales y del sector privado sobre cómo avanzar. Un área de interés es desarrollar un medio para crear sistemas de autoensamblaje que incorporen nanodiamantes dopados con NV entrelazados para la computación cuántica.

El papel, "Nuevas síntesis y propiedades de nanodiamantes puros y dopados con NV y otras nanoestructuras, "se publica en la revista Cartas de investigación de materiales .