На хімічному рівні алмази являють собою не більше ніж атоми вуглецю, розташовані в точній тривимірній (3-D) кристалічній решітці. Однак навіть на перший погляд бездоганний алмаз містить дефекти: плями в тій решітці, де атом вуглецю відсутній або був замінений чимось іншим.
Деякі з цих дефектів дуже бажані; вони захоплюють окремі електрони, які можуть поглинати або випускати світло, викликаючи різні кольори, присутні в алмазних дорогоцінних каменях, і, що більш важливо, створюючи платформу для різноманітних квантових технологій для сучасних обчислень, безпечного зв'язку і точного зондування.
Квантові технології засновані на одиницях квантової інформації, відомої як «кубіти». Спін електронів - головні кандидати на роль кубітів; На відміну від бінарних обчислювальних систем, де дані приймають форму тільки 0 або 1, спин електрону може представляти інформацію як 0, 1 або обидва одночасно в квантовій суперпозиції. Кубіти з алмазів представляють особливий інтерес для вчених, тому що їх квантово-механічні властивості, включаючи суперпозицію, існують при кімнатній температурі, на відміну від багатьох інших потенційних квантових ресурсів.
Однак практичне завдання збору інформації від одного атома глибоко всередині кристала є складним завданням. Вчені звернулися до цієї проблеми в недавньому дослідженні, в якому вони розробили спосіб нанесення малюнка на поверхню алмазу, який полегшує збір світла від дефектів всередині. Ця поверхнева структура, звана мета-лінзою, містить нанорозмірні елементи, які вигинають і фокусують світло, що випускається дефектами, незважаючи на те, що вони фактично плоскі.
Ключем до використання потенційної потужності квантових систем є можливість створювати або знаходити структури, що дозволяють надійно маніпулювати і вимірювати спин електронів, що є складним завданням, враховуючи крихкість квантових станів.
Дослідники підходять до цього завдання по ряду напрямків. Нещодавно вони розробили квантову платформу, засновану на почесному (2-D) матеріалі, званому гексагональним нітридом бору, який завдяки своїм надзвичайно тонким розмірам полегшує доступ до електронних спин. У поточному дослідженні команда повернулася до тривимірного матеріалу, який містить природні дефекти з великим потенціалом для контролю електронних спинів: алмази.
Відомо, що невеликі дефекти в алмазах, звані азотно-вакансійними (NV) центрами, несуть в собі електронні спини, якими можна маніпулювати при кімнатній температурі, на відміну від багатьох інших квантових систем, які вимагають температур, що наближаються до абсолютного нуля. Кожен NV-центр випромінює світло, яке надає інформацію про квантовий стан обертання.
До теперішнього часу вдалося досягти тільки комбінації бажаних квантових властивостей, які потрібні для цих вимогливих додатків, використовуючи NV-центри, вбудовані глибоко в об'ємні тривимірні кристали алу.
На жаль, до цих глибоко впроваджених NV-центрів може бути складно отримати доступ, оскільки вони розташовані не прямо на поверхні алмазу. Для збирання світла від цих важкодоступних дефектів зазвичай потрібен громіздкий оптичний мікроскоп у строго контрольованому лабораторному середовищі. Вчені хотіли знайти кращий спосіб збору світла від NV-центрів, мета, яку вони змогли досягти, розробивши спеціалізовану металінзу, яка обходить необхідність у великому, дорогому мікроскопі.
Метаповерхності складаються зі складних, нанорозмірних моделей, які можуть досягати фізичних явищ, які в іншому випадку неможливо в макромасштабі. Металінзи дослідників складаються з поля стовпів висотою 1 мікрометр і діаметром 100-250 нанометрів, розташованих таким чином, що вони фокусують світло, як традиційні вигнуті лінзи. Витравлений на поверхні алмаза і вирівняний з одним з NV-центрів всередині, металінзи направляють світло, яке представляє спиновий стан електрону, прямо в оптичне волокно, оптимізуючи процес збору даних.
Це дослідження є лише одним з багатьох кроків на шляху до об'єднання квантової технології в більш ефективні системи. Дослідники планує продовжити вивчення того, як найкращим чином використовувати квантовий потенціал 2-х і 3-х мірних матеріалів.