Laser zmienił wnętrze diamentu. Ważnych struktur nie ruszył

Laser ultrafioletowy zmienił strukturę defektów ukrytych wewnątrz diamentu, ale pozostawił praktycznie nienaruszone inne, niezwykle cenne struktury. Naukowcy pokazali, że można modyfikować wybrane niedoskonałości kryształu bez jednoczesnego zmieniania wszystkich pozostałych. To ważna wiadomość dla twórców komputerów i czujników kwantowych. W takich urządzeniach diament nie musi być idealny. Przeciwnie, jego najważniejsze właściwości często wynikają właśnie z atomowych defektów. Problem polega na tym, żeby umieć je kontrolować, nie psując przy okazji tego, co już działa.

Diament kojarzy się nam przede wszystkim z niemal perfekcyjną strukturą krystaliczną. Każdy atom węgla jest w niej połączony z czterema sąsiadami, tworząc wyjątkowo trwałą i uporządkowaną sieć. To właśnie ta budowa odpowiada za jego słynną twardość. Dla fizyków zajmujących się technologiami kwantowymi idealny diament wcale nie jest jednak najbardziej interesujący. Znacznie więcej możliwości oferuje kryształ, w którym celowo umieszczono niewielkie niedoskonałości.

Jednym z takich defektów jest centrum azotowo-wakancyjne, w skrócie NV. Powstaje ono, gdy jeden atom węgla zostaje zastąpiony azotem, a bezpośrednio obok pozostaje puste miejsce w sieci krystalicznej. Taka pozornie niewielka zmiana nadaje materiałowi niezwykłe właściwości. Stan kwantowy elektronów związanych z centrum NV można kontrolować i odczytywać za pomocą światła. Co więcej, reaguje on na bardzo subtelne zmiany pola magnetycznego, temperatury i innych parametrów otoczenia.

Jakiś czas temu opisywaliśmy diamentowe czujniki opracowane przez naukowców z Princeton, w których odpowiednio rozmieszczone i splątane centra NV pozwalały wykrywać niezwykle słabe sygnały magnetyczne. Podobne struktury mogą być również wykorzystywane jako kubity, czyli podstawowe jednostki informacji kwantowej. Prawdziwy problem tak naprawdę pojawia się podczas produkcji. Wprowadzanie nowych defektów lub modyfikowanie już istniejących może przypadkowo zmienić inne struktury, które miały pozostać nietknięte.

Zespół naukowców związanych m.in. z Duke University i North Carolina Central University postanowił sprawdzić, czy można ograniczyć ten problem za pomocą odpowiednio dobranych impulsów laserowych. Badacze wykorzystali syntetyczny diament otrzymany metodą CVD, czyli chemicznego osadzania z fazy gazowej. Był to monokryształ o wymiarach 3 x 3 mm i grubości zaledwie 0,25 mm, zawierający bardzo niewielkie ilości azotu.

Przed eksperymentem dokładnie sprawdzono właściwości materiału, wykorzystując kilka technik spektroskopowych. Naukowcy musieli ustalić, jakie defekty znajdowały się w próbce jeszcze przed naświetlaniem, żeby później móc odróżnić istniejące wcześniej struktury od zmian wywołanych laserem. Następnie skierowali na wybrane fragmenty kryształu ultrafioletowe impulsy o długości fali 266 nm. Każdy trwał około 6 ns, czyli 6 miliardowych części sekundy. Naświetlanie prowadzono w próżni, bez dodatkowego wygrzewania diamentu.

W opublikowanym badaniu opisano, jak kolejne impulsy zmieniały sygnały pochodzące z defektów sieci krystalicznej. Najważniejszy wynik był zaskakująco selektywny. Laser wyraźnie wpływał na jedną grupę struktur, podczas gdy wcześniej istniejące centra NV zachowywały niemal identyczny sygnał optyczny jak przed eksperymentem.

Zmiany zaobserwowano dzięki fotoluminescencji, czyli zjawisku, w którym materiał pochłania energię świetlną, a następnie emituje światło o innych właściwościach. Po naświetleniu diamentu w jego widmie pojawił się wcześniej niewidoczny sygnał przy długości fali około 563 nm. Towarzyszyła mu również emisja w pobliżu 579 nm.

Według wcześniejszych badań takie sygnały wiążą się z defektami powstającymi wtedy, gdy atomy węgla zajmują nietypowe pozycje w strukturze diamentu, zamiast znajdować się w swoich zwykłych miejscach. Nie należy jednak traktować tych wartości jako rozmiarów defektów. Liczby 563 i 579 nm opisują długości fal emitowanego światła, dzięki którym naukowcy rozpoznają określone właściwości optyczne materiału. Eksperyment przyniósł jeszcze ciekawszy wynik. Pod wpływem kolejnych impulsów emisja przy 563 nm początkowo stawała się coraz silniejsza, ale po osiągnięciu maksimum zaczynała słabnąć.

Oznacza to, że laser nie działał wyłącznie jak narzędzie produkujące kolejne niedoskonałości. Dalsze naświetlanie prowadziło do następnych zmian, które zmniejszały liczbę struktur odpowiadających za obserwowany sygnał albo przekształcały je w inne konfiguracje. Tymczasem centra NV nie wykazywały porównywalnych zmian. Badacze mogli więc modyfikować określoną grupę defektów, nie zakłócając w podobnym stopniu innej.

Sekret tak naprawdę tkwi prawdopodobnie w energii dostarczanej do kryształu. Fotony o długości fali 266 nm mają energię mniejszą niż przerwa energetyczna diamentu. Oznacza to, że nie pobudzają elektronów w całym materiale w taki sam sposób, jak zrobiłoby to promieniowanie o odpowiednio większej energii. Mogą natomiast oddziaływać z lokalnymi stanami elektronowymi powiązanymi z istniejącymi defektami. Energia trafia wtedy przede wszystkim do określonych miejsc, gdzie może wywoływać zmiany wiązań i konfiguracji atomów.

Naukowcy sprawdzili również zależność pomiędzy energią naświetlania a intensywnością nowej emisji. Wyniki wskazywały na proces związany przede wszystkim z pochłanianiem pojedynczych fotonów, a nie wielofotonowym oddziaływaniem charakterystycznym dla niektórych technik wykorzystujących znacznie krótsze impulsy laserowe. To może wyjaśniać obserwowaną selektywność. Zamiast wywoływać gwałtowne zmiany w wielu miejscach naraz, laser pobudzał wybrane struktury o odpowiednich właściwościach elektronowych.

Pełny mechanizm nie został jednak jeszcze poznany. Badacze rozważają m.in. udział swobodnych nośników ładunku, ekscytonów i przekazywania energii do lokalnych fragmentów sieci krystalicznej. Nie udało się również jednoznacznie ustalić dokładnej konfiguracji atomowej wszystkich struktur odpowiadających za nową emisję.

Znaczenie odkrycia najlepiej widać na przykładzie rozwijanych już urządzeń kwantowych. Niedawno pisaliśmy o prototypie komputera kwantowego Fujitsu, który wykorzystuje specjalne defekty w cienkich warstwach syntetycznego diamentu. Tam zastosowano centra związane z atomami cyny, ale podstawowa idea jest podobna: celowo wprowadzona niedoskonałość może stać się elementem odpowiedzialnym za przechowywanie lub przesyłanie informacji kwantowej. Żeby zbudować większe układy, nie wystarczy jednak nauczyć się tworzyć takie centra. Trzeba jeszcze kontrolować ich otoczenie.

Niepożądane defekty mogą generować zakłócenia elektryczne i magnetyczne, które utrudniają utrzymywanie delikatnych stanów kwantowych. Z kolei przypadkowa modyfikacja już działającego centrum może sprawić, że cały element przestanie zachowywać się zgodnie z założeniami.

Przeczytaj także:

Możliwość selektywnego zmieniania struktur wewnątrz diamentu byłaby więc szalenie cenna. Inżynier mógłby próbować modyfikować otoczenie centrum kwantowego bez konieczności przebudowywania całej próbki. Na razie nie wykazano jednak, że po naświetlaniu wszystkie parametry kwantowe centrów NV pozostają niezmienione. Badacze potwierdzili przede wszystkim zachowanie ich sygnału optycznego. Nie jest to równoznaczne z pełnym pomiarem jakości kubitu, w tym czasu zachowania jego stanu kwantowego.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI