Delta-Doped GeV$^-$ in diamond with isotope resolvable optical spectra

Auf der Suche nach dem Aufbau eines Quanteninternets suchen Wissenschaftler nach winzigen, zuverlässigen Schaltern, die Informationen unter Anwendung der seltsamen Regeln der Quantenmechanik speichern und übertragen können. Ein vielversprechender Kandidat für diese Schalter ist eine spezifische Art von Defekt, die in Diamanten gefunden wird, bekannt als Farbentzenter. Stellen Sie sich einen Diamanten nicht als makellosen Edelstein vor, sondern als ein Kristallgitter, in dem ein fehlendes Atom durch ein anderes Element, wie etwa Germanium, ersetzt wurde. Diese Imperfektion fängt ein Elektron ein, das sich wie ein winziger Magnet oder Spin verhält, welcher mithilfe von Licht manipuliert werden kann, um als Quantenbit oder Qubit zu fungieren. Damit diese Qubits in einem echten Netzwerk funktionieren, müssen sie mit extremer Präzision platziert werden und müssen sich alle exakt gleich verhalten. Wenn sie wahllos verstreut sind oder wenn der Kristall um sie herum verspannt oder beschädigt ist, werden ihre Signale unscharf und unzuverlässig, was es unmöglich macht, sie miteinander zu verbinden.

Forscher kämpfen schon lange darum, diese Germanium-Defekte auf kontrollierte Weise zu erzeugen. Die Standardmethode besteht darin, Ionen in den Diamanten zu schießen, ein Prozess, der gewissermaßen so ist, als würde man mit einer Schrotflinte auf ein Ziel feuern; während er die Germaniumatome dort platziert, wo sie benötigt werden, zertrümmert er gleichzeitig die umgebende Kristallstruktur und hinterlässt die Atome über ein weites Gebiet verstreut. Dieser Schaden erzeugt eine chaotische Umgebung, in der jeder Defekt leicht unterschiedliche Spannungen erfährt, was dazu führt, dass ihre Lichtsignale ineinander verschwimmen. Um voranzukommen, mussten Wissenschaftler einen Weg finden, diese Defekte direkt während der Entstehung des Diamanten in das Kristallgitter hineinwachsen zu lassen, um sie in einer dünnen, perfekten Schicht zu platzieren, ohne die Kollateralschäden, die durch Ionenbeschuss entstehen.

Ein Forschungsteam hat dies nun erreicht, indem es eine neue Diamantschicht auf eine bestehende Schicht aufgewachsen ist, wobei es für nur einen kurzen Moment Germaniumgas vorsichtig einführte, um eine Schicht aus Defekten zu erzeugen, die weniger als zehn Nanometer dick ist. Diese als Delta-Dotierung bekannte Technik ermöglichte es ihnen, die Germaniumatome mit einer Präzision zu platzieren, die zuvor unmöglich war. Die resultierende Schicht war bemerkenswert rein und enthielt fast keine Stickstoff- oder Sauerstoffverunreinigungen, die normalerweise die Quanteneigenschaften des Diamanten stören. Durch die Verwendung eines mit einem spezifischen Kohlenstoffisotop angereicherten Gases stellten sie zudem sicher, dass die um das Germanium befindlichen Kohlenstoffatome einheitlich waren, was eine weitere Quelle der Verwirrung für die Quantensignale eliminierte.

Nachdem diese reine Schicht gewachsen war, setzte das Team einen Elektronenstrahl ein, um die notwendigen Vakanzen, oder fehlende Kohlenstoffatome, neben dem Germanium zu erzeugen. Diese Vakanzen sind essenziell für die Bildung des aktiven Quantendefekts. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Prozess hocheffizient war und 90 % der Vakanzen in der unmittelbaren Umgebung der Germaniumatome in die gewünschten Quantenzentren umwandelte. Entscheidend war, dass sie durch die Vermeidung der gewaltsamen Ionenimplantation die Kristallstruktur weitgehend ungestört ließen. Dieser Mangel an Spannung bedeutete, dass das von den Defekten emittierte Licht unglaublich scharf und klar war.

Die Klarheit dieser Signale ermöglichte es den Wissenschaftlern, etwas zu sehen, das in früheren Experimenten verborgen geblieben war: die deutlichen Signaturen verschiedener Germaniumisotope. Germanium kommt in mehreren natürlichen Varianten oder Isotopen vor, die sich geringfügig in ihrem Gewicht unterscheiden. In einem beschädigten oder verspannten Kristall werden diese subtilen Unterschiede überdeckt, aber in dieser neuen, reinen Schicht konnten die Forscher die Lichtsignale der verschiedenen Isotope deutlich voneinander trennen, wenngleich sie anmerkten, dass Überschneidungen zwischen einigen Gruppen eine eindeutige Zuordnung bestimmter Isotope erschwerten. Sie beobachteten, dass die Defekte basierend auf ihrem Gewicht in distinkte Gruppen unterteilt waren, wobei die häufigste Gruppe eine sehr enge Streuung in ihren Lichtfrequenzen aufwies. Diese Präzision ist für das Quantennetzwerk von entscheidender Bedeutung, da sie bedeutet, dass viele dieser Defekte auf dieselbe Frequenz abgestimmt werden können, eine Voraussetzung dafür, dass sie miteinander kommunizieren können.

Das Team testete auch, wie lange die Quanteninformation in diesen Defekten gespeichert werden konnte. Sie maßen die Zeit, in der die Elektronenspins kohärent bleiben konnten, und fanden einen unteren Grenzwert von 730 Nanosekunden. Obwohl dies ein solides Ergebnis ist, war es kürzer als die besten Ergebnisse, die in anderen ähnlichen Systemen beobachtet wurden. Die Forscher führten diese Einschränkung auf einen spezifischen, unbekannten magnetischen Defekt zurück, der in der Nähe im Diamanten lauert. Dieser unsichtbare Nachbar verursachte, dass das Signal im Laufe der Zeit driftet, ähnlich wie ein Radiosender, der langsam seine Abstimmung verliert. Obwohl die Quelle dieser magnetischen Interferenz ein Mysterium bleibt, ist die Tatsache, dass das Team ihre Präsenz identifizieren und ihren Effekt messen konnte, ein bedeutender Schritt nach vorn.

Diese Arbeit demonstriert, dass es möglich ist, Quantendefekte in Diamant mit einem Maß an Kontrolle und Reinheit zu züchten, das die besten Ergebnisse durch destruktivere Methoden erreicht. Indem sie die Defekte direkt in den Kristall wachsen ließen, haben die Forscher eine Plattform geschaffen, auf der die Defekte nicht nur mit Nanometerpräzision platziert sind, sondern auch in einer spannungsfreien Umgebung existieren, die ihre empfindlichen Quanteneigenschaften bewahrt. Während das Rätsel um den magnetischen Nachbarn bestehen bleibt, deutet die Fähigkeit, die verschiedenen Isotope aufzulösen und solch enge Lichtsignale zu erzielen, darauf hin, dass diese Methode zum Standard für den Bau der nächsten Generation von Quantengeräten werden könnte. Der Weg zum Quanteninternet erscheint nun klarer, gebaut auf einem Fundament aus Diamanten, die mit Sorgfalt gezüchtet statt mit Gewalt zertrümmert wurden.