Razvoj tehnologije fotonike za ubrzavanje primjene umjetnog dijamanta

Napredak u proizvodnji sintetičkih dijamanata omogućio je nove fotoničke tehnologije, ali pred tim novim tehnologijama ostaju mnogi izazovi u služenju kvantnim aplikacijama.
Tijekom proteklih desetak godina, potaknute brojnim ključnim tehnološkim trendovima i potražnjom na tržištu, mnoge komercijalne fotoničke tehnologije u nastajanju koje iskorištavaju posebna fizička svojstva dijamanta doživjele su značajan napredak. Inovacije u sintezi dijamanta optičke kvalitete kemijskim taloženjem iz pare (CVD), inženjering dijamantnih kolor centara i tehnologije za izradu dijamantnih optičkih komponenti i fotonskih struktura omogućile su ovaj napredak.
Primjene fotonike temeljene na izvrsnim intrinzičnim 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 veći od bakra), dok ima nizak termo-optički koeficijent. Ova svojstva čine dijamantnu optiku idealnom za industrijske laserske primjene velike snage, uključujući strojnu obradu, zavarivanje i aditivnu proizvodnju, gdje je primjenjiva na mnogo različitih dijelova elektromagnetskog spektra.
Osim toga, dijamant je najtvrđa poznata tvar na zemlji, izuzetno je tvrd i robustan, što ga čini idealnim za obrambenu i sigurnosnu primjenu koja zahtijeva robusne optičke i infracrvene komponente i sposobnost funkcioniranja u vrlo izazovnim okruženjima.
CVD dijamant optičke kvalitete dostupan je u monokristalnom i polikristalnom obliku. Prednost polikristalnog dijamanta je u tome što se može koristiti za uređaje velike veličine do 135 mm u promjeru. Na primjer, može se koristiti kao prozor za CO2 lasere velike snage od 10,6 μm za sustave ekstremne ultraljubičaste (EUV) litografije za najnaprednije čvorove za izradu poluvodičkih uređaja.
Ova tehnologija, koja je vođena držanjem koraka s Mooreovim zakonom, uvelike se oslanja na sintetiziranje i obradu dijamantnih prozora prema strogim optičkim standardima kvalitete, budući da niti jedan drugi optički materijal ne može raditi u ekstremnim laserskim uvjetima.
Gubici raspršenja u polikristalnom CVD dijamantu na valnim duljinama kraćim od oko 1,5 μm znače da se većina primjena u tom rasponu rješava korištenjem monokristalnog dijamanta. Zbog ograničenja veličine trenutno dostupnih dijamantnih supstrata, monokristalni dijamantni elementi obično su duljine oko 5-10 mm, a iako neki proizvođači razvijaju monokristalne dijamante velike površine na nedijamantnim supstratima, ovaj materijal ne može koristiti za sve optičke primjene zbog svoje relativno velike unutarnje napetosti.
Unatoč ograničenjima veličine, razvijene su neke monokristalne CVD dijamantne fotoničke tehnike, kao što su dijamantni Raman laseri koji se temelje na jedinstvenim kristalima Element Six koji slabo apsorbiraju svjetlost i imaju nisku dvolomnost.
Ovi nelinearni laseri iskorištavaju fenomen pobuđenog Ramanovog raspršenja za pretvaranje snopa pumpe u izlazni snop s pomakom po Stokesu, proširujući tako raspon dostupnih laserskih izvora za nove primjene koje pokrivaju UV do IR, uključujući: zavarivanje materijala, 3D ispis, usmjerenu energiju , LIDAR, daljinska detekcija i laserski vođene zvijezde (LGS).
Dijamant ima jedan od najviših Raman koeficijenata pojačanja, što ga, u kombinaciji s njegovom izvrsnom toplinskom vodljivošću, čini idealnim medijem pojačanja za demonstraciju skaliranja snage i povećanja svjetline, uključujući u spektralnom području "sigurnom za ljudsko oko" od 1.{{1} }.8 μm. U tom je rasponu izbor dostupnih laserskih izvora prije bio ograničen.
Širenje Diamondove primjene kroz Color Core Engineering
Iako dijamant ima izvrstan skup intrinzičnih optičkih svojstava, on također ima stotine različitih optički aktivnih defekata (centara boja). Neki od njih važni su za tehničke primjene koje iskorištavaju kvantno stanje svjetlosti i svojstva spina elektrona centara boja, uključujući kvantne komunikacije, kvantno računalstvo i niz aplikacija za osjet.
Posebno treba istaknuti središte boje praznog dušika (NV) - luminiscentni točkasti defekt u dijamantu koji je bio predmet intenzivnog istraživanja zbog mogućnosti lakog manipuliranja njegovim kvantnim stanjem primjenom svjetla i RF polja na sobnoj temperaturi.
Ovisno o konačnom postupku primjene, NV centre boja moguće je izraditi na dva načina. Jedan je kontroliranjem dopiranja dušika tijekom CVD procesa rasta tako da se atomi dušika raspoređuju po materijalu u željenoj koncentraciji. S druge strane, potrebna je precizna prostorna kontrola pojedinačnih centara boja, pomoću ubrizgavanja dušika. Prazna mjesta u rešetki se zatim stvaraju visokoenergetskim elektronskim zračenjem, a kristal se žari na visokim temperaturama kako bi se slobodna mjesta mobilizirala da se povežu s atomima dušika u kristalu, što rezultira NV centrima boja. Sličan pristup može se koristiti za formiranje drugih prilagođenih centara boja kao što su praznine silicija (SiV) ili praznine germanija (GeV).
Za kvantnu obradu informacija potrebni su nizovi centara boja - i za kontrolu njihovih kvantnih svojstava i za učinkovito spajanje pojedinačnih centara kroz fotonske šupljine. Zbog kemijske inertnosti dijamanta i nedostatka široko rasprostranjene dostupnosti na tržištu, još uvijek su potrebni znatni napori i sredstva za razvoj tehnika nanoproizvodnje potrebnih za takve strukture; međutim, posljednjih su godina istraživači postigli velik napredak u ovom području, uključujući izradu složenih nanostruktura u obliku valovoda, stupova, šupljina i diskova, korištenjem različitih tehnika fotolitografije i korištenjem plazme i reaktivnih ionskih zraka za jetkanje .
Budući izazovi za postizanje dijamantne kvantne fotonike
Posljednjih godina istraživači su značajno napredovali u proizvodnji dijamanata s visokom intrinzičnom optičkom kvalitetom i visokokvalitetnim centrima boja, te su omogućili mnoge nove i postojeće napredne fotoničke tehnike.
Međutim, ostaje niz izazova prije nego što se aplikacije dijamanata 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; proizvodnja napolitanki; i hibridna integracija s drugim fotonskim materijalima i komponentama. Unatoč ovim izazovima, trenutna istraživanja usmjerena na ova područja su vrlo aktivna i očekuje se značajan napredak u nadolazećim godinama.