Razvoj tehnologije fotonike za ubrzanje primjene umjetnog dijamanta

Napredak u proizvodnji sintetičkih dijamanata omogućio je nove fotoničke tehnologije, ali ostaju mnogi izazovi za ove nove tehnologije u opsluživanju kvantnih aplikacija.
Tokom protekle decenije, potaknute brojnim ključnim tehnološkim trendovima i potražnjom na tržištu, mnoge komercijalne fotoničke tehnologije u nastajanju koje koriste prednosti posebnih fizičkih svojstava dijamanta doživjele su značajan napredak. Inovacije u sintezi dijamanta optičkog kvaliteta pomoću hemijskog taloženja iz pare (CVD), inženjering dijamantskih centara boja i tehnologije za proizvodnju dijamantskih optičkih komponenti i fotonskih struktura omogućile su ovaj napredak.
Fotoničke aplikacije zasnovane na odličnim svojstvima dijamanta
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 puta više od bakra), a ima nizak termo-optički koeficijent. Ova svojstva čine dijamantsku optiku idealnom za industrijske laserske aplikacije velike snage, uključujući mašinsku obradu, zavarivanje i proizvodnju aditiva, gdje je primjenjiva na mnoge različite dijelove elektromagnetnog spektra.
Osim toga, dijamant je najtvrđa poznata supstanca na zemlji, izuzetno je tvrd i robustan, što ga čini idealnim za odbrambene i sigurnosne aplikacije koje zahtijevaju robusne optičke i infracrvene komponente i sposobnost funkcioniranja u vrlo izazovnim okruženjima.
CVD dijamant optičkog kvaliteta dostupan je u monokristalnim i polikristalnim oblicima. Prednost polikristalnog dijamanta je u tome što se može koristiti za velike uređaje velike površine do 135 mm u prečniku. Na primjer, može se koristiti kao prozor za CO2 lasere velike snage od 10,6 μm za ekstremno ultraljubičaste (EUV) litografske sisteme za najnaprednije čvorove za proizvodnju poluvodičkih uređaja.
Ova tehnologija, koja je vođena držanjem koraka sa Murovim zakonom, u velikoj meri se oslanja na sintezu i obradu dijamantskih prozora prema strogim standardima optičkog kvaliteta, jer nijedan drugi optički materijal ne može da radi u ekstremnim uslovima lasera.
Gubici rasejanja u polikristalnom CVD dijamantu na talasnim dužinama kraćim od oko 1,5 μm znače da se većina primena u tom opsegu rešava korišćenjem monokristalnog dijamanta. Zbog ograničenja veličine trenutno dostupnih dijamantskih supstrata, monokristalni dijamantski elementi su obično dužine oko 5-10 mm, i iako neki proizvođači razvijaju monokristalne dijamante velike površine na podlogama bez dijamanata, ovaj materijal ne može može se koristiti za sve optičke aplikacije zbog relativno visokog unutrašnjeg naprezanja.
Uprkos ograničenjima veličine, razvijene su neke monokristalne CVD dijamantske fotoničke tehnike, kao što su dijamantski Raman laseri zasnovani na jedinstvenim kristalima Element Six koji slabo upijaju svjetlost i imaju niski dvolom.
Ovi nelinearni laseri iskorištavaju fenomen pobuđenog Ramanovog raspršenja za pretvaranje zraka pumpe u izlazni snop pomaknut po Stokesu, čime se proširuje raspon dostupnih laserskih izvora za nove primjene koje pokrivaju UV do IR, uključujući: zavarivanje materijala, 3D štampanje, usmjerenu energiju , LIDAR, daljinsko otkrivanje i laserski vođene zvijezde (LGS).
Dijamant ima jedan od najviših koeficijenata Ramanovog pojačanja, što ga, u kombinaciji sa njegovom odličnom toplotnom provodljivošću, čini idealnim medijumom pojačanja za demonstriranje skaliranja snage i poboljšanja svjetline, uključujući u "sigurnom za ljudsko oko" spektralnom području od 1.{{1} }.8 μm. U ovom rasponu, izbor dostupnih laserskih izvora je ranije bio ograničen.
Proširivanje Diamondovih aplikacija kroz Color Core Engineering
Iako dijamant ima izvrstan skup intrinzičnih optičkih svojstava, on takođe ima stotine različitih optički aktivnih defekata (centra boja). Neki od njih su važni za tehničke primjene koje iskorištavaju kvantno stanje svjetlosti i svojstva spina elektrona centara boja, uključujući kvantne komunikacije, kvantno računanje i niz primjena senzora.
Posebno treba istaći centar boja za prazninu dušika (NV) – luminiscentni tačkasti defekt u dijamantu koji je bio predmet intenzivnog istraživanja zbog sposobnosti da se lako manipulira njegovim kvantnim stanjem primjenom svjetlosnih i RF polja na sobnoj temperaturi.
U zavisnosti od konačnog procesa nanošenja, NV centri boja mogu se kreirati na dva načina. Jedna je kontrola dopinga dušika tokom CVD procesa rasta, tako da se atomi dušika distribuiraju kroz materijal u željenoj koncentraciji. S druge strane, potrebna je precizna prostorna kontrola pojedinačnih centara boja, korištenjem ubrizgavanja dušika. Rešetkasta praznina se zatim stvaraju visokoenergetskim zračenjem elektrona, a kristal se žari na visokim temperaturama kako bi se slobodna mjesta mobilizirala da se vežu s atomima dušika u kristalu, što rezultira NV centrima boja. Sličan pristup se može koristiti za formiranje drugih prilagođenih centara boja, kao što su centri slobodnih mjesta za silicijum (SiV) ili germanijumskih slobodnih centara (GeV).
Za kvantnu obradu informacija potrebni su nizovi centara boja - kako za kontrolu njihovih kvantnih svojstava, tako i za efikasno spajanje pojedinačnih centara zajedno kroz fotonske šupljine. Zbog hemijske inertnosti dijamanta i nedostatka široko rasprostranjene tržišne dostupnosti, još uvijek su potrebni znatni napori i finansijska sredstva za razvoj tehnika nanofabrikacije potrebnih za takve strukture; međutim, posljednjih godina, istraživači su napravili veliki napredak u ovoj oblasti, uključujući proizvodnju složenih nanostruktura u obliku valovoda, stupova, šupljina i diskova, koristeći različite fotolitografske tehnike, i korištenje plazme i reaktivnih ionskih snopova za jetkanje .
Budući izazovi za postizanje dijamantske kvantne fotonike
Posljednjih godina, istraživači su postigli značajan napredak u proizvodnji dijamanata s visokim intrinzičnim optičkim kvalitetom i visokokvalitetnim centrima boja, te su omogućili mnoge nove i postojeće napredne fotoničke tehnike.
Međutim, ostaje niz izazova prije nego što se dijamantske aplikacije u kvantnoj fotonici mogu uspješno implementirati kao skalabilni čipovi za aplikacije kao što je kvantna obrada informacija. To uključuje: poboljšanje inženjeringa usmjerenog na boje i robusnost kvantnih bitova; Izrada vafla; i hibridnu integraciju sa drugim fotonskim materijalima i komponentama. Uprkos ovim izazovima, trenutna istraživanja usmjerena na ove oblasti su vrlo aktivna i očekuje se značajan napredak u narednim godinama.