Desarrollo de tecnología fotónica para acelerar la aplicación de diamantes artificiales

Los avances en la producción de diamantes sintéticos han hecho posibles las nuevas tecnologías fotónicas, pero aún quedan muchos desafíos para estas nuevas tecnologías al servicio de las aplicaciones cuánticas.
Durante la última década, impulsadas por una serie de tendencias tecnológicas clave y la demanda del mercado, muchas tecnologías fotónicas emergentes comerciales que aprovechan las propiedades físicas especiales del diamante han experimentado avances significativos. Las innovaciones en la síntesis de diamantes de calidad óptica mediante deposición química de vapor (CVD), la ingeniería del centro de color del diamante y las tecnologías para la fabricación de componentes ópticos y estructuras fotónicas de diamantes han hecho posible estos avances.
Aplicaciones fotónicas basadas en las excelentes propiedades intrínsecas del diamante
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 veces la del cobre), teniendo un bajo coeficiente termo-óptico. Estas propiedades hacen que la óptica de diamante sea ideal para aplicaciones de láser industrial de alta potencia, incluido el mecanizado, la soldadura y la fabricación aditiva, donde es aplicable a muchas partes diferentes del espectro electromagnético.
Además, el diamante es la sustancia más dura conocida en la tierra, y es extremadamente dura y resistente, lo que la hace también ideal para aplicaciones de defensa y seguridad que requieren componentes ópticos e infrarrojos resistentes y la capacidad de funcionar en entornos muy desafiantes.
El diamante CVD de calidad óptica está disponible en formas monocristalinas y policristalinas. La ventaja del diamante policristalino es que se puede utilizar para dispositivos de gran tamaño y gran área de hasta 135 mm de diámetro. Por ejemplo, se puede utilizar como ventana para láseres de CO2 de 10,6 μm de alta potencia para sistemas de litografía ultravioleta extrema (EUV) para los nodos de fabricación de dispositivos semiconductores más avanzados.
Esta tecnología, que se basa en seguir el ritmo de la Ley de Moore, se basa en gran medida en la síntesis y el procesamiento de ventanas de diamantes según estrictos estándares de calidad óptica, ya que ningún otro material óptico puede funcionar en las condiciones extremas del láser requeridas.
Las pérdidas por dispersión en el diamante CVD policristalino en longitudes de onda inferiores a aproximadamente 1,5 μm significan que la mayoría de las aplicaciones en ese rango se abordan utilizando un diamante monocristalino. Debido a las limitaciones de tamaño de los sustratos de diamante actualmente disponibles, los elementos de diamante de un solo cristal suelen tener una longitud de alrededor de 5-10 mm y, aunque algunos fabricantes están desarrollando diamantes de un solo cristal de área grande en sustratos que no son diamantes, este material no puede ser utilizado para todas las aplicaciones ópticas debido a su tensión interna relativamente alta.
A pesar de las limitaciones de tamaño, se han desarrollado algunas técnicas de fotónica de diamante CVD monocristalino, como los láseres Raman de diamante basados ​​en los cristales exclusivos de baja birrefringencia y baja absorción de luz de Element Six.
Estos láseres no lineales aprovechan el fenómeno de la dispersión Raman excitada para convertir el haz de bombeo en un haz de salida desplazado por Stokes, lo que amplía la gama de fuentes de láser disponibles para nuevas aplicaciones que abarcan desde UV hasta IR, incluidas: soldadura de materiales, impresión 3D, energía dirigida , LIDAR, teledetección y estrellas guiadas por láser (LGS).
Diamond tiene uno de los coeficientes de ganancia Raman más altos, lo que, combinado con su excelente conductividad térmica, lo convierte en un medio de ganancia ideal para demostrar el escalado de potencia y la mejora del brillo, incluso en la región espectral "segura para el ojo humano" de 1.{{1} }.8 μm. En este rango, la elección de las fuentes de láser disponibles anteriormente ha sido limitada.
Expansión de las aplicaciones de Diamond a través de la ingeniería de núcleos de color
Si bien el diamante tiene un excelente conjunto de propiedades ópticas intrínsecas, también tiene cientos de defectos ópticamente activos diferentes (centros de color). Algunos de estos son importantes para aplicaciones técnicas que explotan el estado cuántico de la luz y las propiedades de espín de los electrones de los centros de color, incluidas las comunicaciones cuánticas, la computación cuántica y una variedad de aplicaciones de detección.
De particular interés es el centro de color de vacancia de nitrógeno (NV), un defecto puntual luminiscente en el diamante que ha sido objeto de una intensa investigación debido a la capacidad de manipular fácilmente su estado cuántico mediante la aplicación de campos de luz y RF a temperatura ambiente.
Según el proceso de aplicación final, se pueden crear centros de color NV de dos maneras. Una es controlando el dopaje de nitrógeno durante el proceso de crecimiento de CVD para que los átomos de nitrógeno se distribuyan por todo el material en la concentración deseada. Por otro lado, se requiere un control espacial preciso de los centros de color individuales mediante la inyección de nitrógeno. Luego, las vacantes de la red se crean mediante irradiación de electrones de alta energía, y el cristal se recoce a altas temperaturas para movilizar las vacantes para que se unan con los átomos de nitrógeno en el cristal, lo que da como resultado centros de color NV. Se puede utilizar un enfoque similar para formar otros centros de color personalizados, como centros de vacantes de silicio (SiV) o vacantes de germanio (GeV).
Para el procesamiento de información cuántica, se necesitan conjuntos de centros de color, tanto para controlar sus propiedades cuánticas como para acoplar de manera eficiente los centros individuales a través de cavidades fotónicas. Debido a la inercia química del diamante y la falta de disponibilidad generalizada en el mercado, aún se requiere un esfuerzo y una financiación considerables para desarrollar las técnicas de nanofabricación necesarias para tales estructuras; sin embargo, en los últimos años, los investigadores han logrado grandes avances en esta área, incluida la fabricación de nanoestructuras complejas en forma de guías de ondas, columnas, cavidades y discos, usando una variedad de técnicas de fotolitografía y empleando plasma y haces de iones reactivos para el grabado. .
Desafíos futuros para lograr la fotónica cuántica de diamantes
En los últimos años, los investigadores han logrado un progreso significativo en la producción de diamantes con alta calidad óptica intrínseca y centros de color de alta calidad, y han permitido muchas técnicas fotónicas avanzadas nuevas y existentes.
Sin embargo, quedan varios desafíos antes de que las aplicaciones de diamantes en la fotónica cuántica puedan implementarse con éxito como chips escalables para aplicaciones como el procesamiento de información cuántica. Estos incluyen: mejora de la ingeniería centrada en el color y robustez de los bits cuánticos; fabricación de obleas; e integración híbrida con otros materiales y componentes fotónicos. A pesar de estos desafíos, la investigación actual dirigida a estas áreas es muy activa y se espera un progreso sustancial en los próximos años.