Алмазные металинзы для компактных квантовых технологий

На химическом уровне алмазы представляют собой не более чем атомы углерода, расположенные в точной трехмерной (3-D) кристаллической решетке. Однако даже на первый взгляд безупречный алмаз содержит дефекты: пятна в той решетке, где атом углерода отсутствует или был заменен чем-то другим.

Некоторые из этих дефектов очень желательны; они захватывают отдельные электроны, которые могут поглощать или испускать свет, вызывая различные цвета, присутствующие в алмазных драгоценных камнях, и, что более важно, создавая платформу для разнообразных квантовых технологий для современных вычислений, безопасной связи и точного зондирования.

Квантовые технологии основаны на единицах квантовой информации, известной как «кубиты». Спин электронов — главные кандидаты на роль кубитов; В отличие от бинарных вычислительных систем, где данные принимают форму только 0 или 1, спин электрона может представлять информацию как 0, 1 или оба одновременно в квантовой суперпозиции. Кубиты из алмазов представляют особый интерес для ученых, потому что их квантово-механические свойства, включая суперпозицию, существуют при комнатной температуре, в отличие от многих других потенциальных квантовых ресурсов.

Однако практическая задача сбора информации от одного атома глубоко внутри кристалла является сложной задачей. Ученые обратились к этой проблеме в недавнем исследовании, в котором они разработали способ нанесения рисунка на поверхность алмаза, который облегчает сбор света от дефектов внутри. Эта поверхностная структура, называемая мета-линзой, содержит наноразмерные элементы, которые изгибают и фокусируют свет, испускаемый дефектами, несмотря на то, что они фактически плоские.

Ключом к использованию потенциальной мощности квантовых систем является возможность создавать или находить структуры, позволяющие надежно манипулировать и измерять спин электронов, что является сложной задачей, учитывая хрупкость квантовых состояний.

Исследователи подходят к этой задаче по ряду направлений. Недавно они разработали квантовую платформу, основанную на двумерном (2-D) материале, называемом гексагональным нитридом бора, который благодаря своим чрезвычайно тонким размерам облегчает доступ к электронным спинам. В текущем исследовании команда вернулась к трехмерному материалу, который содержит естественные дефекты с большим потенциалом для контроля электронных спинов: алмазы.

Известно, что небольшие дефекты в алмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами, несут в себе электронные спины, которыми можно манипулировать при комнатной температуре, в отличие от многих других квантовых систем, которые требуют температур, приближающихся к абсолютному нулю. Каждый NV-центр излучает свет, который предоставляет информацию о квантовом состоянии вращения.

До настоящего времени удалось достичь только комбинации желательных квантовых свойств, которые требуются для этих требовательных приложений, используя NV-центры, встроенные глубоко в объемные трехмерные кристаллы алмаза.

К сожалению, к этим глубоко внедренным NV-центрам может быть сложно получить доступ, поскольку они расположены не прямо на поверхности алмаза. Для сбора света от этих труднодоступных дефектов обычно требуется громоздкий оптический микроскоп в строго контролируемой лабораторной среде. Ученые хотели найти лучший способ сбора света от NV-центров, цель, которую они смогли достичь, разработав специализированную металинзу, которая обходит необходимость в большом, дорогом микроскопе.

Метаповерхности состоят из сложных, наноразмерных моделей, которые могут достигать физических явлений, которые в противном случае невозможно в макромасштабе. Металинзы исследователей состоят из поля столбов высотой 1 микрометр и диаметром 100-250 нанометров, расположенных таким образом, что они фокусируют свет, как традиционные изогнутые линзы. Вытравленный на поверхности алмаза и выровненный с одним из NV-центров внутри, металинзы направляют свет, который представляет спиновое состояние электрона, прямо в оптическое волокно, оптимизируя процесс сбора данных.

Это исследование является лишь одним из многих шагов на пути к объединению квантовой технологии в более эффективные системы. Исследователи планирует продолжить изучение того, как наилучшим образом использовать квантовый потенциал 2-х и 3-х мерных материалов.

Tzu-Yung Huang et al, A monolithic immersion metalens for imaging solid-state quantum emitters, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10238-5