p No nível químico, diamantes não são mais do que átomos de carbono alinhados de forma precisa, rede cristalina tridimensional (3-D). Contudo, até mesmo um diamante aparentemente perfeito contém defeitos:manchas na rede onde um átomo de carbono está faltando ou foi substituído por outra coisa. Alguns desses defeitos são altamente desejáveis; eles prendem elétrons individuais que podem absorver ou emitir luz, causando as várias cores encontradas em gemas de diamante e, mais importante, criando uma plataforma para diversas tecnologias quânticas para computação avançada, comunicação segura e detecção de precisão. p As tecnologias quânticas são baseadas em unidades de informação quântica conhecidas como "qubits". O spin dos elétrons é o principal candidato para servir como qubits; ao contrário dos sistemas de computação binários, onde os dados assumem a forma de apenas 0s ou 1s, o spin do elétron pode representar informações como 0, 1, ou ambos simultaneamente em uma superposição quântica. Qubits de diamantes são de interesse particular para cientistas quânticos por causa de suas propriedades mecânicas quânticas, incluindo superposição, existe à temperatura ambiente, ao contrário de muitos outros recursos quânticos potenciais.

p O desafio prático de coletar informações de um único átomo nas profundezas de um cristal é assustador, Contudo. Penn Engineers abordou esse problema em um estudo recente no qual eles desenvolveram uma maneira de padronizar a superfície de um diamante que torna mais fácil coletar a luz dos defeitos internos. Chamado de metalens, esta estrutura de superfície contém características em nanoescala que dobram e focam a luz emitida pelos defeitos, apesar de ser efetivamente plano.

p A pesquisa foi liderada por Lee Bassett, Professor Auxiliar no Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, estudante de graduação Tzu-Yung Huang, e o pesquisador de pós-doutorado Richard Grote, do laboratório de Bassett.

p David Hopper, membros adicionais do Bassett Lab, Annemarie Exarhos e Garrett Kaighn contribuíram para o trabalho, assim como Gerald Lopez, diretor de Desenvolvimento de Negócios do Singh Center for Nanotechnology, e dois membros do Centro de Nanofotônica de Amsterdã, Sander Mann e Erik Garnett.

p O estudo foi publicado em Nature Communications .

p A chave para aproveitar o poder potencial dos sistemas quânticos é ser capaz de criar ou encontrar estruturas que permitem que o spin do elétron seja manipulado e medido de forma confiável, uma tarefa difícil considerando a fragilidade dos estados quânticos.

p O laboratório de Bassett aborda esse desafio de várias direções. Recentemente, o laboratório desenvolveu uma plataforma quântica baseada em um material bidimensional (2-D) chamado nitreto de boro hexagonal que, devido às suas dimensões extremamente finas, permite um acesso mais fácil aos spins do elétron. No estudo atual, a equipe voltou a um material 3-D que contém imperfeições naturais com grande potencial para controlar os spins dos elétrons:os diamantes.

p Pequenos defeitos em diamantes, chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), são conhecidos por abrigar spins de elétrons que podem ser manipulados em temperatura ambiente, ao contrário de muitos outros sistemas quânticos que exigem temperaturas próximas do zero absoluto. Cada centro NV emite luz que fornece informações sobre o estado quântico do spin.

p Bassett explica por que é importante considerar as vias 2-D e 3-D na tecnologia quântica:

p "As diferentes plataformas de materiais estão em diferentes níveis de desenvolvimento, e, em última análise, serão úteis para diferentes aplicações. Defeitos em materiais 2-D são ideais para detecção de proximidade em superfícies, e eles podem eventualmente ser bons para outras aplicações, como dispositivos fotônicos quânticos integrados, "Bassett diz." Agora, Contudo, o centro NV de diamante é simplesmente a melhor plataforma para processamento de informações quânticas em temperatura ambiente. É também um dos principais candidatos para a construção de redes de comunicação quântica em grande escala. "

p Até aqui, só foi possível alcançar a combinação de propriedades quânticas desejáveis ​​que são necessárias para essas aplicações exigentes usando centros NV embutidos profundamente em cristais 3-D em massa de diamante.

p Infelizmente, esses centros NV profundamente embutidos podem ser de difícil acesso, uma vez que não estão certos na superfície do diamante. A coleta de luz desses defeitos de difícil acesso geralmente requer um microscópio óptico volumoso em um ambiente de laboratório altamente controlado. A equipe de Bassett queria encontrar uma maneira melhor de coletar a luz dos centros NV, uma meta que eles foram capazes de alcançar ao projetar um metalens especializado que contorna a necessidade de um grande, microscópio caro.

p "Usamos o conceito de metassuperfície para projetar e fabricar uma estrutura na superfície do diamante que atua como uma lente para coletar fótons de um único qubit no diamante e direcioná-los para uma fibra óptica, considerando que anteriormente isso exigia um grande, microscópio óptico de espaço livre, "Bassett diz." Este é o primeiro passo fundamental em nosso esforço maior para realizar dispositivos quânticos compactos que não requerem uma sala cheia de componentes eletrônicos e ópticos de espaço livre. "

p Metasurfaces consistem em intrincadas, padrões em nanoescala que podem atingir fenômenos físicos de outra forma impossíveis na macroescala. O metalens dos pesquisadores consiste em um campo de pilares, cada 1 micrômetro de altura e 100-250 nanômetros de diâmetro, dispostas de forma a focalizar a luz como uma lente curva tradicional. Gravado na superfície do diamante e alinhado com um dos centros NV dentro, o metalens guia a luz que representa o estado de spin do elétron diretamente em uma fibra óptica, agilizando o processo de coleta de dados.

p "O metalen real tem cerca de 30 mícrons de diâmetro, que tem aproximadamente o diâmetro de um pedaço de cabelo. Se você olhar para o pedaço de diamante em que o fabricamos, você não pode ver isso. No máximo, você pode ver uma mancha escura, "diz Huang." Normalmente pensamos em lentes como focalizando ou colimando, mas, com uma metaestrutura, temos a liberdade de projetar qualquer tipo de perfil que desejarmos. Isso nos dá a liberdade de adaptar o padrão de emissão ou o perfil de um emissor quântico, como um centro NV, o que não é possível, ou é muito difícil, com óptica de espaço livre. "

p Para projetar seus metalens, Bassett, Huang e Grote tiveram que montar uma equipe com uma vasta gama de conhecimentos, da mecânica quântica à engenharia elétrica e à nanotecnologia. Bassett credita ao Singh Center for Nanotechnology um papel crítico em sua capacidade de construir fisicamente os metalens.

p "Nanofabricação foi um componente chave deste projeto, "diz Bassett." Precisávamos alcançar litografia de alta resolução e gravação precisa para fabricar uma matriz de nanopilares de diamante em escalas de comprimento menores que o comprimento de onda da luz. O diamante é um material desafiador de processar, e foi o trabalho dedicado de Richard no Singh Center que possibilitou essa capacidade. Também tivemos a sorte de contar com a equipe experiente da sala limpa. Gerald nos ajudou a desenvolver as técnicas de litografia por feixe de elétrons. Também tivemos a ajuda de Meredith Metzler, o gerente da área de filmes finos no Singh Center, no desenvolvimento da gravação de diamante. "

p Embora a nanofabricação venha com seus desafios, a flexibilidade proporcionada pela engenharia de metassuperfície oferece vantagens importantes para aplicações do mundo real da tecnologia quântica:

p "Decidimos colimar a luz dos centros NV para ir para uma fibra óptica, já que faz interface com outras técnicas que foram desenvolvidas para tecnologias compactas de fibra óptica na última década, "Huang diz." A compatibilidade com outras estruturas fotônicas também é importante. Pode haver outras estruturas que você deseja colocar no diamante, e nossos metalens não impedem esses outros aprimoramentos ópticos. "

p Este estudo é apenas uma das muitas etapas em direção ao objetivo de compactar a tecnologia quântica em sistemas mais eficientes. O laboratório de Bassett planeja continuar explorando a melhor forma de aproveitar o potencial quântico dos materiais 2-D e 3-D.

p "O campo da engenharia quântica está avançando rapidamente agora, em grande parte devido à convergência de idéias e conhecimentos de muitas disciplinas, incluindo física, Ciência de materiais, fotônica e eletrônica, "Bassett diz." A Penn Engineering se destaca em todas essas áreas, portanto, esperamos muitos outros avanços no futuro. Em última análise, queremos fazer a transição dessa tecnologia do laboratório para o mundo real, onde ela pode ter um impacto em nossa vida cotidiana. "