Al encontrar un cierto tipo de defecto dentro de un bloque de diamante y formar un patrón de pilares a nanoescala en la superficie sobre él, los investigadores pueden controlar la forma de los fotones individuales emitidos por el defecto. Debido a que esos fotones transportan información sobre el estado de espín de un electrón, tal sistema podría usarse como base para tecnologías cuánticas compactas. Crédito:Ann Sizemore Blevins
A nivel químico, los diamantes no son más que átomos de carbono alineados de forma precisa, celosía de cristal tridimensional (3-D). Sin embargo, incluso un diamante aparentemente impecable contiene defectos:puntos en esa red donde falta un átomo de carbono o ha sido reemplazado por otra cosa. Algunos de estos defectos son muy deseables; Atrapan electrones individuales que pueden absorber o emitir luz, causando los diversos colores que se encuentran en las piedras preciosas de diamantes y, más importante, crear una plataforma para diversas tecnologías cuánticas para la informática avanzada, comunicación segura y detección de precisión.
Las tecnologías cuánticas se basan en unidades de información cuántica conocidas como "qubits". El espín 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 espín del electrón puede representar información como 0, 1, o ambos simultáneamente en una superposición cuántica. Los quits de diamantes son de particular interés para los científicos cuánticos debido a sus propiedades mecánicas cuánticas, incluida la superposición, existen a temperatura ambiente, a diferencia de muchos otros recursos cuánticos potenciales.
El desafío práctico de recopilar información de un solo átomo en el interior de un cristal es abrumador, sin embargo. 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 facilita la recolección de luz de los defectos internos. Llamado metalente, esta estructura de superficie contiene características a nanoescala que doblan y enfocan la luz emitida por los defectos, a pesar de ser efectivamente plano.
La investigación fue dirigida por Lee Bassett, Profesor Adjunto del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, estudiante de posgrado Tzu-Yung Huang, y el investigador postdoctoral Richard Grote del laboratorio de Bassett.
Miembros adicionales de Bassett Lab, David Hopper, Annemarie Exarhos y Garrett Kaighn contribuyeron al trabajo, como hizo Gerald Lopez, director de Desarrollo Comercial del Centro Singh de Nanotecnología, y dos miembros del Centro de Nanofotónica de Ámsterdam, 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 el espín de los electrones de manera confiable. una tarea difícil considerando la fragilidad de los estados cuánticos.
Las metalentes de los investigadores, que consta de muchos nanopilares pequeños, aproxima el efecto de una lente de Fresnel para dirigir la luz de un centro de vacancia de nitrógeno (NV) de diamante a una fibra óptica, eliminando la necesidad de un microscopio voluminoso. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza
El laboratorio de Bassett aborda este desafío desde varias direcciones. Recientemente, el laboratorio desarrolló una plataforma cuántica basada en un material bidimensional (2-D) llamado nitruro de boro hexagonal que, debido a sus dimensiones extremadamente delgadas, permite un acceso más fácil a los giros de electrones. En el estudio actual, el equipo volvió a un material tridimensional que contiene imperfecciones naturales con un gran potencial para controlar los giros de electrones:los diamantes.
Pequeños defectos en diamantes, llamados centros de nitrógeno vacante (NV), son conocidos por albergar 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 NV emite luz que proporciona información sobre el estado cuántico del espín.
Bassett explica por qué es importante considerar las vías 2-D y 3-D en la tecnología cuántica:
"Las diferentes plataformas de materiales se encuentran en diferentes niveles de desarrollo, y finalmente serán útiles para diferentes aplicaciones. Los defectos en materiales 2-D son ideales para la detección de proximidad en superficies, y eventualmente podrían ser buenos para otras aplicaciones, como los dispositivos fotónicos cuánticos integrados, "Dice Bassett." Ahora mismo, sin embargo, El centro Diamond NV es simplemente la mejor plataforma para el procesamiento de información cuántica a temperatura ambiente. También es un candidato líder para la construcción de redes de comunicación cuántica a gran escala ".
Hasta aquí, Solo ha sido posible lograr la combinación de propiedades cuánticas deseables que se requieren para estas aplicaciones exigentes utilizando centros NV incrustados profundamente en cristales tridimensionales de diamante a granel.
Desafortunadamente, esos centros NV profundamente incrustados pueden ser de difícil acceso, ya que no están 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 de Bassett quería encontrar una mejor manera de recolectar luz de los centros NV, un objetivo que pudieron lograr mediante el diseño de un metalente especializado que evita la necesidad de un gran, microscopio caro.
"Usamos el concepto de una metasuperficie 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 gran, microscopio óptico de espacio libre, "Este es un primer paso clave en nuestro esfuerzo más grande para realizar dispositivos cuánticos compactos que no requieren una habitación llena de componentes electrónicos y ópticos de espacio libre", dice Bassett.
Tzu-Yung Huang, Lee Bassett y David Hopper trabajando en el Laboratorio de Ingeniería Cuántica de Bassett. Crédito:Universidad de Pensilvania
Las metauperficies consisten en intrincados, Patrones a nanoescala que pueden lograr fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles en la macroescala. La metalente de los investigadores consta de un campo de pilares, cada 1 micrómetro de alto y 100-250 nanómetros de diámetro, dispuestas de tal manera que enfocan la luz como una lente curva tradicional. Grabado en la superficie del diamante y alineado con uno de los centros NV en el interior, el metalente guía la luz que representa el estado de giro del electrón directamente en una fibra óptica, simplificar el proceso de recopilación de datos.
"El metalente real tiene aproximadamente 30 micrones de ancho, que tiene aproximadamente el diámetro de un mechón de cabello. Si miras la pieza de diamante en la que lo fabricamos, no puedes verlo. A lo sumo, se podía ver una mancha oscura, ", dice Huang." Por lo general, pensamos en los lentes como enfocando o colimando, pero, con una metaestructura, tenemos la libertad de diseñar cualquier tipo de perfil que queramos. Nos brinda la libertad de adaptar el patrón de emisión o el perfil de un emisor cuántico, como un centro NV, que no es posible, o es muy dificil, con óptica de espacio libre ".
Para diseñar sus metalentes, Bassett, Huang y Grote tuvieron que formar un equipo con una amplia gama de conocimientos, desde la mecánica cuántica hasta la ingeniería eléctrica y la nanotecnología. Bassett acredita al Centro Singh de Nanotecnología por desempeñar un papel fundamental en su capacidad para construir físicamente las metalentes.
"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 diamante en escalas de longitud más pequeñas que la longitud de onda de la luz. El diamante es un material difícil de procesar, y fue el trabajo dedicado de Richard en el Singh Center lo que permitió esta capacidad. También tuvimos la suerte de beneficiarnos del experimentado personal de salas blancas. Gerald nos ayudó a desarrollar las técnicas de litografía por haz de electrones. También contamos con la ayuda de Meredith Metzler, el director del área de película fina en el Singh Center, en el desarrollo del grabado de diamantes ".
Aunque la nanofabricación conlleva sus desafíos, la flexibilidad que ofrece la ingeniería de metasuperficies proporciona 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 otras estructuras fotónicas también es importante. Puede haber otras estructuras que quieras poner en el diamante, y nuestras metalentes no excluyen 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 2-D y 3-D.
"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," ciencia de los Materiales, fotónica y electrónica, "Dice Bassett." Penn Engineering sobresale en todas estas áreas, por lo que esperamos muchos más avances en el futuro. Por último, queremos hacer la transición de esta tecnología fuera del laboratorio al mundo real, donde puede tener un impacto en nuestra vida cotidiana ".
