Pulsuri laser ultraviolete modifică selectiv defectele din diamant, păstrând intacte qubiții cuantici
Cercetările asupra defectelor atomice din diamant ar putea deschide calea către dispozitive cuantice mai controlabile. Un studiu publicat în revista Diamond and Related Materials arată că pulsuri laser ultraviolete de 266 de nanometri, cu durată de doar câțiva nanosecunzi, pot modifica anumite defecte din diamant fără a perturba centrele nitrogen-vacancy (NV) deja existente.
Centrul NV este un defect format dintr-un atom de azot și o vacanță vecină în rețeaua cristalină a diamantului. Aceste centre pot funcționa ca biți cuantici, sau qubiți, și ca senzori foarte sensibili pentru câmpuri magnetice și electrice. Problema este că crearea sau modificarea unui tip de defect poate afecta și alte defecte din apropiere.
Pentru experiment, cercetătorii au folosit un diamant monocristalin obținut prin depunere chimică din fază vaporilor (CVD). Înainte de iradiere, materialul a fost caracterizat prin spectroscopie de fotoluminescență confocală, spectroscopie de absorbție ultraviolet-vizibil și spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier. Măsurătorile au indicat că diamantul CVD cu conținut scăzut de azot avea o concentrație foarte mică de azot substituțional.
După iradierea cu laser ultraviolet, în regiunile expuse au apărut emisii optice noi, la aproximativ 563 și 579 de nanometri, absente în materialul inițial. Aceste emisii au fost asociate în studii anterioare cu defecte legate de interstițiali de carbon, adică atomi de carbon aflați în poziții diferite față de siturile normale din rețea.
Observația importantă a fost că semnalele optice ale centrelor NV existente au rămas în mare parte neschimbate față de regiunile netratate. Cu alte cuvinte, laserul a produs o modificare măsurabilă într-o parte a peisajului de defecte fără a afecta comparabil populația de centre NV deja prezentă.
Cercetătorii subliniază că nu este vorba despre demonstrarea unor noi qubiți, ci despre capacitatea de a manipula o anumită populație de defecte păstrând intactă o populație de defecte relevantă pentru aplicații cuantice.
Studiul a arătat și că emisia de 563 de nanometri nu crește nedefinit odată cu expunerea prelungită la laser. Sub iradiere continuă, semnalul poate scădea după atingerea unui maxim, ceea ce sugerează că excitarea optică nu creează defecte într-un proces unidirecțional, ci poate determina transformări succesive ale configurațiilor de defecte.
Mecanismul atomic exact rămâne o întrebare deschisă. Rezultatele sunt compatibile cu un scenariu în care fotonii ultravioleți interacționează cu stări electronice asociate defectelor, producând excitație electronică localizată și transfer de energie către rețeaua înconjurătoare. Totuși, stabilirea traseului microscopic complet va necesita experimente suplimentare.
Această limitare este importantă deoarece diamantul conține numeroase configurații de defecte, iar semnăturile lor optice nu dezvăluie întotdeauna structura atomică completă. Emisiile de 563 și 579 de nanometri au fost asociate cu defecte legate de interstițiali de carbon, dar configurația atomică precisă responsabilă pentru centrele observate nu a fost stabilită prin măsurătorile efectuate.
Rezultatul demonstrează un concept de inginerie a materialelor: iradierea cu laser ultraviolet de nanosecunzi poate modifica selectiv structura optică a defectelor din diamant monocristalin CVD, în timp ce populația de centre NV rămâne în mare parte neafectată. Următorul pas este înțelegerea mai detaliată a transformărilor de defecte și determinarea reproductibilității controlului. Dacă parametrii laserului pot fi corelați cu transformări specifice, ar putea deveni posibilă proiectarea deliberată a peisajului de defecte din diamant pentru aplicații particulare.
