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

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantuminternet zoeken wetenschappers naar piepkleine, betrouwbare schakelaars die informatie kunnen opslaan en verzenden met behulp van de vreemde regels van de kwantummechanica. Eén veelbelovende kandidaat voor deze schakelaars is een specif kind type defect dat wordt gevonden in diamanten, bekend als een kleurencentrum. Stel je een diamant niet voor als een foutloze edelsteen, maar als een kristalrooster waar een ontbrekend atoom is vervangen door een ander element, zoals germanium. Deze imperfectie vangt een elektron dat zich gedraagt als een piepkleine magneet, of spin, die gemanipuleerd kan worden met licht om te fungeren als een kwantumbit, of qubit. Om deze qubits in een echt netwerk te laten werken, moeten ze met extreme precisie worden geplaatst en moeten ze allemaal exact op dezelfde manier functioneren. Als ze willekeurig verspreid zijn of als de kristalstructuur om hen heen verzwakt of beschadigd is, worden hun signalen wazig en onbetrouwbaar, wat het onmogelijk maakt om ze aan elkaar te koppelen.

Onderzoekers worstelen al lang met het op een gecontroleerde manier creëren van deze germaniumdefecten. De standaardmethode houdt in dat er ionen in de diamant worden geschoten, een proces dat enigszins lijkt op het afvuren van een hagelgeweer op een doelwit; hoewel het de germaniumatomen plaatst waar ze nodig zijn, verbrijzelt het ook de omliggende kristalstructuur en laat het de atomen over een breed gebied verspreid achter. Deze schade creëert een chaotische omgeving waarin elk defect net iets andere spanningen ervaart, waardoor hun lichtsignalen in elkaar vervagen. Om vooruit te komen, hadden wetenschappers een manier nodig om deze defecten direct in de diamant te groeien tijdens de creatie ervan, waarbij ze een dunne, perfecte laag plaatsen zonder de nevenschade die wordt veroorzaakt door ionenbombardement.

Een team van onderzoekers heeft dit nu bereikt door een nieuwe laag diamant te groeien op een bestaande laag, waarbij ze heel voorzichtig germanium gas voor slechts een kort moment introduceerden om een laag defecten te creëren die minder dan tien nanometer dik is. Deze techniek, bekend als delta-doping, stelde hen in staat de germaniumatomen met een precisie te plaatsen die voorheen onmogelijk was. De resulterende laag was opmerkelijk puur en bevatte bijna geen stikstof- of zuurstofonzuiverheden die normaal gesproken de kwantumeigenschappen van de diamant verstoren. Door gebruik te maken van een gas dat verrijkt is met een specifiek koolstofisotoop, zorgden ze er ook voor dat de koolstofatomen rondom het germanium uniform waren, wat nog een andere bron van verwarring voor de kwantumsignalen wegnam.

Nadat deze zuivere laag was gegroeid, gebruikte het team een elektronenbundel om de noodzakelijke vacatures, of ontbrekende koolstofatomen, naast het germanium te creëren. Deze vacatures zijn essentieel voor het vormen van het actieve kwantumdefect. De onderzoekers ontdekten dat dit proces zeer efficiënt was, waarbij 90% van de vacatures in de directe nabijheid van de germaniumatomen werd omgezet in de gewenste kwantumcentra. Cruciaal was dat omdat zij de gewelddadige methode van ionenimplantatie vermeden, het kristalrooster grotendeels ongestoord bleef. Dit gebrek aan spanning betekende dat het licht dat door de defecten werd uitgezonden, ongelooflijk scherp en helder was.

De helderheid van deze signalen stelde de wetenschappers in staat om iets te zien dat in eerdere experimenten verborgen was gebleven: de duidelijke handtekeningen van verschillende isotopen van germanium. Germanium komt in verschillende natuurlijke varianten, of isotopen, voor, die in gewicht licht van elkaar verschillen. In een beschadigde of gespannen kristalstructuur worden deze subtiele verschillen weggespoeld, maar in deze nieuwe, zuivere laag konden de onderzoekers de lichtsignalen van de verschillende isotopen duidelijk van elkaar onderscheiden, hoewel ze opmerkten dat overlap tussen sommige groepen de ondubbelzinnige toewijzing van bepaalde isotopen een uitdaging maakte. Ze observeerden dat de defecten zich vormden in duidelijke groepen op basis van hun gewicht, waarbij de meest voorkomende groep een zeer smalle spreiding vertoonde in hun lichtfrequenties. Dit niveau van precisie is essentieel voor kwantumnetwerken, aangezien het betekent dat veel van deze defecten kunnen worden afgestemd op dezelfde frequentie, een vereiste voor hen om met elkaar te communiceren.

Het team testte ook hoe lang kwantuminformatie in deze defecten kon worden opgeslagen. Ze maten de tijd dat de elektronenspins coherent konden blijven, en vonden een ondergrens van 730 nanoseconden. Hoewel dit een solide resultaat is, was het korter dan de beste resultaten die in andere soortgelijke systemen zijn gezien. De onderzoekers herleidden deze beperking tot een specifiek, onbekend magnetisch defect dat in de buurt van de diamant sluimert. Deze onzichtbare buur veroorzaakte dat het signaal in de loop van de tijd ging driften, vergelijkbaar met een radiostation dat langzaam de afstemming verliest. Hoewel de bron van deze magnetische interferentie een mysterie blijft, is het feit dat het team de aanwezigheid ervan kon identificeren en het effect ervan kon meten, een belangrijke stap voorwaarts.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om kwantumdefecten in diamant te kweken met een mate van controle en zuiverheid die wedijvert met de beste resultaten die door meer destructieve methoden zijn bereikt. Door de defecten direct in het kristal te laten groeien, hebben de onderzoekers een platform gecreëerd waar de defecten niet alleen met nanometerprecisie zijn geplaatst, maar ook in een spanningsvrije omgeving bestaan die hun delicate kwantumeigenschappen behoudt. Hoewel het mysterie van de magnetische buur blijft bestaan, suggereert het vermogen om de verschillende isotopen te onderscheiden en dergelijke nauwe lichtsignalen te bereiken, dat deze methode de standaard kan worden voor het bouwen van de volgende generatie kwantumapparaten. Het pad naar een kwantuminternet ziet er nu helderder uit, gebouwd op een fundament van diamanten die met zorg zijn gegroeid in plaats van door geweld te zijn verbrijzeld.