“工程师设计用于紧凑量子技术的纳米结构金刚石元透镜”

在化学水平上，钻石不会超过排列在正确的三维( 3d )晶格中的碳原子。 但是，看起来完美的钻石也含有缺陷。 晶格中缺少碳原子或被其他东西取代的斑点。 其中一个缺陷是非常必要的； 它们捕获能够吸收或发射光的单个电子，生成钻石宝石的各种颜色，更重要的是，为高级计算、安全通信和精确传感创建各种量子技术平台。

量子技术基于被称为量子比特的量子新闻单位。 电子自旋与二进制计算系统不同，二进制计算系统只使用量子比特的第一候选数据为0或1的形式，电子自旋是量子叠加，可以用0、1或两者表示新闻。 钻石量子对量子科学家特别感兴趣。 因为包括叠加在内的量子力学性质在室温下存在，与其他大多数潜在的量子资源不同。

但是，从晶体内部的各个原子收集新闻的实际挑战很可怕。 宾夕法尼亚大学的工程师在最近的研究中处理了这个问题，提出了模拟钻石表面使光更容易从内部缺陷中聚集的方法。 这样的表面结构被称为无金属，包含纳米级的特征，尽管比较有效平坦，但可以弯曲和聚焦来自缺陷的光。

该研究由电子系统工程系助理教授lee bassett、研究生tzu-yung huang、bassett研究所博士后研究员richard grote指导。

其他bassett lab成员david hopper、annemarie exarhos、garrett kaighn也为这项事业做出了贡献，新加坡纳米技术中心业务的快速发展总监gerald lopez和阿姆斯特丹的纳纳。

这项研究发表在《国家通讯》上。

利用量子系统潜在力的关键是建立或找出电子自旋可靠地操作和测量的结构，考虑到量子状态的脆弱性，这是一项困难的任务。

巴塞特的实验室从多个方向接近这个挑战。 最近，该实验室开发了一种基于二维( 2d )材料的量子平台，称为六角形氮化硼，由于其极薄的尺寸，通过电子自旋变得更容易接触。 在目前的研究中，这个团队返回了含有钻石的3d材料，这是一种具有很大潜力的控制电子旋转的自然缺陷。

众所周知，金刚石中的小缺陷(称为氮空位) nv中心)具有可以在室温下操作的电子自旋，与其他许多要求温度接近绝对零度的量子系统不同。 来自各nv中心的光提供自旋量子态的新闻。

bassett解释了为什么考虑量子技术中的2d和3d方法很重要:

不同的材料平台处于不同的发展水平，最终用于不同的APP。 巴塞特先生说，二维材料的缺陷非常适合表面上的近场感应，它们最终可能会应用于其他应用，例如集成量子光子器件。 但是，目前钻石nv中心是解决室温量子新闻的最佳平台。 也是构建大规模量子通信互联网的主要候选。

迄今为止，只有采用嵌入金刚石的大3d晶体深处的nv中心，才能实现这些严格应用所需的量子特征的组合。

遗憾的是，由于不在钻石表面，埋在哪个深度的nv中心不太容易进入。 从什么样的难以到达的缺陷收集光，一般需要在高度控制的实验室环境中采用巨大的光学显微镜。 bassett的团队希望找到更好的收集nv中心光线的方法。 这是通过设计大型、无需高价显微镜的专用元透镜实现的。

我们用表面的概念设计和制造钻石表面的结构。 它的结构就像一个透镜，用来从金刚石中的单一量子位点收集光子，引诱光纤，以前需要大的、自由的-粗空光学显微镜。 巴塞特先生说。 这是实现紧凑的量子器件的第一个重要步骤，不需要充满电子和自由空之间的光学元件的房间。

超颖表面由众多而复杂的纳米级图案构成，这些图案可以实现宏观尺度上无法实现的物理现象。 研究人员的metalens由一个柱子组成，每个柱子高1微米，直径100-250纳米，排列方法像以前流传的弯曲透镜一样会聚光线。 当对金刚石表面进行刻蚀并对准内部的nv中心时，元透镜直接将显示电子自旋状态的光引导到光纤上，从而简化了数据采集过程。

实际的metalens宽约30微米，是一根头发的直径。 如果你看看我们做的钻石，你就看不到了。 最多，能看到黑斑。 黄说。 我们一般认为镜头是对焦的或平行的，但通过元结构，我们可以自由设计我们想要的任何种类的轮廓。 这样可以自由定制发射模式和量子发射器的配置文件，如nv中心。 这是不可能或非常困难的自由空间光学系统。

为了设计他们的要素，bassett、huang、grote需要组建一个拥有从量子力学到电子学、纳米技术等各种知识的团队。 巴特认为，辛格纳米技术中心在物理构建元透镜的能力方面发挥着重要作用。

纳米加工是这个项目的重要组成部分，巴塞特说。 我们为了制造长度比光的波长短的金刚石纳米柱阵列，需要实现高分辨率的光刻和正确的蚀刻。 钻石是非常难的加工材料，理查德在创作中心专业工作使之成为可能。 我们也很幸运能从经验丰富的洁净室员工那里受益。 杰拉德帮助我们开发了电子束光刻技术。 在辛格中心的薄膜区域经理meredith metzler的帮助下开发了金刚石蚀刻。

纳米加工带来了挑战，但超晶面工程提供的灵活性为量子技术的实用化提供了重要的特征:

我们决定把来自nv中心的光精确到光纤。 这是因为，与在过去十年中为紧凑型光纤技术开发的其他技术的接口很容易。 黄先生说。 与其他光子结构的兼容性也非常重要。 也许还有其他结构应该放在钻石上，但我们的金属镶嵌并不排除任何其他光学增强。

这项研究只是实现将量子技术压缩为更高效系统的目标的众多步骤之一。 bassett的实验室计划继续寻找充分利用2d和3d材料量子势的方法。

巴塞特说，量子工程行业目前发展很快，这很大程度上得益于来自物理学、材料科学、光子学和电子学等多个学科的思想和专业信息的融合。 由于penn engineering在所有这些行业都很出色，所以我们期待着将来会越来越进步。 最终，我们想把这项技术从实验室转移到现实世界。 在那里可以影响我们的日常生活。

该业务在美国国立科学基金会eccs-1553511和eccs-1842655以及荷兰的第七框架计划下获得了荷兰科学研究机构( fp / 2007-)/ erc资助协议no。 337328，NANO -启用的PV。 设施和仪器由美国国家科学基金会通过宾夕法尼亚大学材料研究科学和工程中心资助了dmr-1720530和国家纳米技术协调基础设施eccs-1542153。

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