Cómo los diamantes defectuosos «conducen» a redes cuánticas perfectas

El color de un diamante proviene de un defecto, o «vacío», donde falta un átomo de carbono en la estructura del cristal. Las vacantes han sido de interés para los investigadores en electrónica durante mucho tiempo porque pueden usarse como ‘nodos cuánticos’ o puntos que forman una red cuántica para la transferencia de datos. Una de las formas de introducir un defecto en un diamante es implantarlo con otros elementos, como nitrógeno, silicio o estaño. En un estudio reciente publicado en Fotónica ACS, los científicos de Japón demuestran que los centros de vacantes de plomo en el diamante tienen las propiedades adecuadas para funcionar como nodos cuánticos. «El uso de un átomo pesado del grupo IV, como el plomo, es una estrategia simple para lograr propiedades de giro superiores a temperaturas elevadas, pero los estudios anteriores no han sido consistentes en determinar con precisión las propiedades ópticas de los centros de vacantes de plomo», dijo el profesor asociado Takayuki Iwasaki, Tokio. Institute of Technology (Tokyo Tech), quien dirigió el estudio.

Las tres propiedades críticas que los investigadores buscan en un posible nodo cuántico son la simetría, el tiempo de coherencia de espín y las líneas de fonón cero (ZPL), o líneas de transición electrónica que no afectan a los «fonones», los cuantos de estructura cristalina vibraciones. La simetría proporciona información sobre cómo controlar el espín (velocidad de rotación de partículas subatómicas como los electrones), la coherencia se refiere a una identidad en la naturaleza ondulatoria de dos partículas y las ZPL describen la calidad óptica del cristal.

Los investigadores fabricaron las vacantes de plomo en diamantes y luego sometieron el cristal a alta presión y alta temperatura. Luego estudiaron las vacantes de plomo utilizando espectroscopía de fotoluminiscencia, una técnica que les permite leer las propiedades ópticas y estimar las propiedades de espín. Descubrieron que las ondas de plomo tenían un tipo de simetría diedra, adecuada para construir redes cuánticas. También encontraron que el sistema tenía una gran «división de estado fundamental», una propiedad que contribuye a la coherencia del sistema. Finalmente, vieron que el tratamiento de alta presión y alta temperatura que infligieron a los cristales suprimió la distribución no homogénea de ZPL, recuperando el daño hecho a la estructura cristalina durante el proceso de implantación. Un cálculo simple mostró que las vacantes de plomo tenían un tiempo de coherencia de espín más largo a una temperatura más alta (9K) que los sistemas anteriores con vacantes de silicio y estaño.

«La simulación que presentamos en nuestro estudio parece sugerir que el centro de vacantes principal probablemente sea un sistema esencial para crear una interfaz cuántica de materia ligera, uno de los elementos clave en la aplicación de redes cuánticas», concluye un optimista Dr. Iwasaki. .

Este estudio allana el camino para el futuro desarrollo de obleas de diamante grandes (defectuosas) y películas delgadas (defectuosas) de diamante con propiedades confiables para aplicaciones en redes cuánticas.