Pesquisadores da North Carolina State University desenvolveram uma nova técnica para a criação de nanodiamantes de cristal único dopados com NV, apenas quatro a oito nanômetros de largura, que podem servir como componentes em tecnologias de computação quântica à temperatura ambiente. Esses nanodiamantes dopados também são promissores para uso em sensores de fóton único e não tóxicos, biomarcadores fluorescentes.

Atualmente, computadores usam lógica binária, em que cada unidade binária - ou bit - está em um de dois estados:1 ou 0. A computação quântica faz uso de superposição e emaranhamento, permitindo a criação de bits quânticos - ou qubits - que podem ter um grande número de estados possíveis. A computação quântica tem o potencial de aumentar significativamente a potência e a velocidade da computação.

Uma série de opções foram exploradas para a criação de sistemas de computação quântica, incluindo o uso de diamantes que têm centros de "vacância de nitrogênio". É aí que entra esta pesquisa.

Normalmente, diamante tem uma estrutura cristalina muito específica, consistindo em tetraedros de diamante repetidos, ou cubos. Cada cubo contém cinco átomos de carbono. A equipe de pesquisa da NC State desenvolveu uma nova técnica para criar tetraedros de diamante que possuem dois átomos de carbono; uma vaga, onde um átomo está faltando; um átomo de carbono-13 (um isótopo de carbono estável que tem seis prótons e sete nêutrons); e um átomo de nitrogênio. Isso é chamado de centro NV. Cada nanodiamante dopado com NV contém milhares de átomos, mas tem apenas um centro NV; o restante dos tetraedros no nanodiamante é feito exclusivamente de carbono.

É uma distinção atomicamente pequena, mas faz uma grande diferença.

"Aquele pontinho, o centro NV, transforma o nanodiamante em um qubit, "diz Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering na NC State e principal autor de um artigo que descreve o trabalho. "Cada centro NV tem duas transições:NV0 e NV-. Podemos ir e voltar entre esses dois estados usando corrente elétrica ou laser. Esses nanodiamantes podem servir como blocos de construção básicos de um computador quântico."

Para criar esses nanodiamantes dopados com NV, os pesquisadores começam com um substrato, como safira, vidro ou um polímero plástico. O substrato é então revestido com carbono amorfo - carbono elementar que, ao contrário de grafite ou diamante, não tem um regular, estrutura cristalina bem definida. Ao depositar o filme de carbono amorfo, os pesquisadores o bombardeiam com íons de nitrogênio e íons de carbono-13. O carbono é então atingido por um pulso de laser que aumenta a temperatura do carbono para aproximadamente 4, 000 Kelvin (ou cerca de 3, 727 graus Celsius) e, em seguida, é rapidamente extinto. A operação é concluída em um milionésimo de segundo e ocorre em uma atmosfera - a mesma pressão do ar circundante. Ao usar diferentes substratos e alterar a duração do pulso de laser, os pesquisadores podem controlar a rapidez com que o carbono esfria, o que lhes permite criar as estruturas de nanodiamantes.

"Nossa abordagem reduz as impurezas; controla o tamanho do nanodiamante dopado com NV; nos permite colocar os nanodiamantes com uma quantidade razoável de precisão; e incorpora diretamente o carbono-13 no material, que é necessário para criar o emaranhamento necessário na computação quântica, "Narayan diz." Todos os nanodiamantes estão exatamente alinhados através do paradigma da epitaxia de correspondência de domínio, que é um avanço significativo sobre as técnicas existentes para a criação de nanodiamantes dopados com NV ".

"A nova técnica não oferece apenas controle e uniformidade sem precedentes nos nanodiamantes dopados com NV, também é menos caro do que as técnicas existentes, "Narayan diz." Esperançosamente, isso permitirá avanços significativos no campo da computação quântica. "

Os pesquisadores estão atualmente conversando com grupos do governo e do setor privado sobre como avançar. Uma área de interesse é desenvolver um meio de criar sistemas de automontagem que incorporem nanodiamantes dopados com NV emaranhados para computação quântica.

O papel, "Nova síntese e propriedades de nanodiamantes puros e dopados com NV e outras nanoestruturas, "é publicado na revista Cartas de pesquisa de materiais .