Desenvolupament de tecnologia fotònica per accelerar l'aplicació del diamant artificial

Els avenços en la producció de diamants sintètics han fet possibles noves tecnologies fotòniques, però encara queden molts reptes per a aquestes noves tecnologies al servei d'aplicacions quàntiques.
Durant l'última dècada més o menys, impulsades per una sèrie de tendències tecnològiques clau i la demanda del mercat, moltes tecnologies fotòniques comercials emergents que aprofiten les propietats físiques especials del diamant han experimentat avenços significatius. Les innovacions en la síntesi de diamants de qualitat òptica per deposició de vapor químic (CVD), l'enginyeria del centre de color del diamant i les tecnologies per a la fabricació de components òptics de diamant i estructures fotòniques han fet possibles aquests avenços.
Aplicacions fotòniques basades en les excel·lents propietats intrínseques del diamant
High purity diamond exhibits transparency in the frequency range from ultraviolet to terahertz and beyond. It has the highest room temperature thermal conductivity of any bulk material (>5 vegades el del coure), tot i que té un coeficient termo-òptic baix. Aquestes propietats fan que l'òptica de diamant sigui ideal per a aplicacions làser industrials d'alta potència, com ara mecanitzat, soldadura i fabricació additiva, on és aplicable a moltes parts diferents de l'espectre electromagnètic.
A més, el diamant és la substància més dura coneguda a la terra, i és extremadament dur i resistent, el que també el fa ideal per a aplicacions de defensa i seguretat que requereixen components òptics i infrarojos resistents i la capacitat de funcionar en entorns molt difícils.
El diamant CVD de qualitat òptica està disponible en formes monocristal·lines i policristalines. L'avantatge del diamant policristalí és que es pot utilitzar per a dispositius d'àrea gran de gran mida de fins a 135 mm de diàmetre. Per exemple, es pot utilitzar com a finestra per a làsers de CO2 d'alta potència de 10,6 μm per a sistemes de litografia ultraviolada extrema (EUV) per als nodes de fabricació de dispositius semiconductors més avançats.
Aquesta tecnologia, que es basa en seguir el ritme de la Llei de Moore, depèn en gran mesura de la síntesi i el processament de finestres de diamant amb estàndards de qualitat òptica estrictes, ja que cap altre material òptic pot funcionar en les condicions extremes del làser requerides.
Les pèrdues de dispersió en el diamant policristalí CVD a longituds d'ona inferiors a uns 1,5 μm significa que la majoria de les aplicacions d'aquest rang s'aborden amb diamants d'un sol cristall. A causa de les limitacions de mida dels substrats de diamants disponibles actualment, els elements de diamants d'un sol cristall solen tenir uns 5-10 mm de longitud i, tot i que alguns fabricants estan desenvolupant diamants d'un sol cristall de gran superfície sobre substrats que no siguin diamant, aquest material no pot s'utilitzarà per a totes les aplicacions òptiques a causa de la seva tensió interna relativament elevada.
Malgrat les limitacions de mida, s'han desenvolupat algunes tècniques de fotònica de diamant CVD d'un sol cristall, com ara els làsers Raman de diamant basats en els cristalls únics d'Element Six que absorbeixen la llum i de baixa birrefringència.
Aquests làsers no lineals exploten el fenomen de la dispersió Raman excitada per convertir el feix de la bomba en un feix de sortida desplaçat per Stokes, ampliant així la gamma de fonts làser disponibles per a noves aplicacions que cobreixen l'UV a IR, com ara: soldadura de materials, impressió 3D, energia dirigida. , LIDAR, teledetecció i estrelles guiades per làser (LGS).
El diamant té un dels coeficients de guany Raman més alts, que, combinat amb la seva excel·lent conductivitat tèrmica, el converteix en un mitjà de guany ideal per demostrar l'escala de potència i la millora de la brillantor, inclosa a la regió espectral "segura per a l'ull humà" d'1.{{1} },8 μm. En aquest rang, l'elecció de les fonts làser disponibles ha estat prèviament limitada.
Ampliació de les aplicacions del diamant mitjançant l'enginyeria del nucli del color
Tot i que el diamant té un conjunt excel·lent de propietats òptiques intrínseques, també té centenars de defectes òpticament actius diferents (centres de color). Alguns d'ells són importants per a aplicacions tècniques que exploten l'estat quàntic de la llum i les propietats d'espin electrònic dels centres de color, incloses les comunicacions quàntiques, la computació quàntica i una sèrie d'aplicacions de detecció.
Cal destacar especialment el centre de color de la vacant de nitrogen (NV), un defecte del punt luminiscent del diamant que ha estat objecte d'una investigació intensiva a causa de la capacitat de manipular fàcilment el seu estat quàntic mitjançant l'aplicació de camps de llum i RF a temperatura ambient.
Depenent del procés d'aplicació final, es poden crear centres de color NV de dues maneres. Un és controlant el dopatge de nitrogen durant el procés de creixement CVD de manera que els àtoms de nitrogen es distribueixin per tot el material a la concentració desitjada. D'altra banda, es requereix un control espacial precís dels centres de color individuals, mitjançant la injecció de nitrogen. Aleshores, les vacants de gelosia es creen per irradiació d'electrons d'alta energia, i el cristall es recuita a altes temperatures per mobilitzar les vacants per unir-se amb els àtoms de nitrogen del cristall, donant lloc a centres de color NV. Es pot utilitzar un enfocament similar per formar altres centres de color personalitzats, com ara centres vacants de silici (SiV) o centres vacants de germani (GeV).
Per al processament de la informació quàntica, es necessiten matrius de centres de color, tant per controlar les seves propietats quàntiques com per acoblar de manera eficient els centres individuals mitjançant cavitats fotòniques. A causa de la inercia química del diamant i la manca de disponibilitat generalitzada del mercat, encara es requereix un esforç i un finançament considerables per desenvolupar les tècniques de nanofabricació necessàries per a aquestes estructures; tanmateix, en els darrers anys, els investigadors han avançat molt en aquesta àrea, inclosa la fabricació de nanoestructures complexes en forma de guies d'ones, columnes, cavitats i discos, utilitzant una varietat de tècniques de fotolitografia i utilitzant feixos de plasma i ions reactius per al gravat. .
Reptes futurs per aconseguir la fotònica quàntica de diamants
En els darrers anys, els investigadors han fet progressos significatius en la producció de diamants amb una alta qualitat òptica intrínseca i centres de color d'alta qualitat, i han permès moltes tècniques fotòniques avançades noves i existents.
No obstant això, encara hi ha una sèrie de reptes abans que les aplicacions de diamants en fotònica quàntica es puguin implementar amb èxit com a xips escalables per a aplicacions com el processament d'informació quàntica. Aquests inclouen: millora de l'enginyeria centrada en el color i robustesa dels bits quàntics; fabricació d'hòsties; i integració híbrida amb altres materials i components fotònics. Malgrat aquests reptes, la investigació actual dirigida a aquestes àrees és molt activa i s'espera un avenç substancial en els propers anys.