Künstliche Diamanten mit gut platzierten Kristalldefekten können die Grundlage für Spitzenentwicklungen in Bereichen werden, die von Quantencomputern bis hin zu medizinischer Diagnostik reichen.
Bei Element Six Labs hergestellte Diamanten haben nur ein Einschlussatom für über eine Milliarde Kohlenstoffatome.
Ein winziger Diamant ursprünglich aus Russland (ein Quadrat mit einer Seitenlänge von nur 2 mm) fesselte die Aufmerksamkeit von Professor Jörg Wrachtrup, der den größten Teil des Jahres 2005 damit verbrachte, nach etwas Ähnlichem zu suchen. Kein Juwelier würde sich weigern, einen seiner kostbaren Ringe mit diesem Muster zu verzieren, aber die Physiker des Wrachtrup-Teams (Universität Stuttgart, Deutschland) interessierten sich keineswegs für die ästhetische Seite des Themas. Sie haben viele wissenschaftliche Zeitschriften der Russischen Akademie der Wissenschaften studiert, bis sie eine Beschreibung der Probe gefunden haben, die ihren Bedürfnissen entspricht. Der Diamant war perfekt in seiner Unvollkommenheit.
Sein Kristallgitter war durch seltene Einschlüsse von Stickstoffatomen gestört, neben denen sich statt eines Kohlenstoffatoms ein Hohlraum befand. Jedes dieser „Löcher“könnte sich als Falle für ein Elektron herausstellen. Stickstoffeinschlüsse selbst sind nicht ungewöhnlich, aber mit der richtigen Menge davon können die im „Loch“eingeschlossenen Elektronen als Informationshüter für Quantencomputer dienen, schlugen die Wissenschaftler vor. Und im Gegensatz zu den meisten anderen Kandidaten für die Rolle solcher Geräte kann ein solches System bei Raumtemperatur arbeiten. Vrachtrup teilte den Diamanten in zwei Teile, von denen einer an Professor Mikhail Lukin an der Harvard University geschickt wurde. Ende 2006 bestätigten beide Forschergruppen unabhängig voneinander, dass der russische Diamant die Erwartungen erfüllte. Physiker haben so etwas noch nie zuvor gesehen.
Anschließend musste der Diamant in viele sehr kleine Stücke zerteilt werden: Wissenschaftler aus aller Welt interessierten sich für seine Quanteneigenschaften (mittlerweile arbeiten etwa 75 Forschungsgruppen auf diesem Gebiet). Trotz sorgfältiger Suche war es nicht möglich, eine andere natürliche Probe mit einer ähnlichen Einschlussstruktur zu finden. Dann konzentrierten sich die Forscher darauf, einen künstlichen zu erschaffen. Gleich, nur besser.
Immer mehr Forschungsgruppen, die sich der Arbeit anschlossen, brachten neue Ideen über mögliche Anwendungen von "Wunderdiamanten". Neben dem erwähnten Quantencomputing können Kristallgitterdefekte genutzt werden, um die Parameter von Magnetfeldern mit ultrahoher Präzision zu messen. Mit diesen Sensoren wäre es möglich, Messungen auf zellulärer Ebene durchzuführen und Prozesse wie die Übertragung eines elektrischen Signals in einem Neuron oder die Reaktion einer einzelnen Zelle auf ein Medikament sichtbar zu machen.
Qubit in einem Loch
Diamantkenner wissen viel über Einschlüsse: So färben beispielsweise „fremde“Stickstoffatome, die in das Kohlenstoffgitter eindringen, die Steine gelblich und Bor blau. Physiker interessieren sich mehr für den Spin von Elektronen, die in „Löchern“eingeschlossen sind, die Einschlüsse begleiten. Die Spinprojektion auf die gewählte Richtung kann positiv, negativ oder in einer Überlagerung dieser Zustände sein – gleichzeitig positiv und negativ sein. Aus einem solchen Elektron wird ein wunderbares Qubit gewonnen - eine Elementarzelle zum Speichern von Quanteninformationen, die es Ihnen im Gegensatz zum klassischen Bit, das nur ein paar Werte (0 oder 1) annehmen kann, ermöglicht, informativer zu bilden Quantendatenregister.
Das Kristallgitter von Diamant schützt den fragilen Quantenzustand des Qubits vor äußeren Einflüssen, lässt sich aber durch Mikrowellenstrahlung verändern und mit Lasern auslesen. Natürliche Diamanten enth alten in der Regel ein „fremdes“Atom in etwa tausend – zu häufige Einschlüsse, um zur Speicherung von Quanteninformationen genutzt zu werden: Kristallgitterfehler liegen so nahe beieinander, dass ihre Wechselwirkung die Möglichkeit einer langfristigen Erh altung eines solchen ausschließt gegebener Elektronenzustand. Der russische „Wunderdiamant“enthält ein Stickstoffatom pro Milliarde Kohlenstoffatome, was ihn einzigartig macht.
2005 zeigte Vrachtrup, dass die Elektronen in den Gitterfehlern dieses Diamanten in der Lage sind, ihren Quantenzustand etwa eine Millisekunde lang aufrechtzuerh alten. Alle anderen Systeme, die ähnliche Ergebnisse zeigten, wurden im Tiefvakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben. Später, im Jahr 2012, war Lukin in der Lage, die „Lebensdauer“eines in Diamant eingebetteten Qubits auf 1 Sekunde zu verlängern, was mit modernen Indikatoren für Systeme vergleichbar ist, die Atome verwenden, die in einem elektromagnetischen Feld gefangen sind, und die Fähigkeiten von supraleitenden Sch altkreisen um 10.000 übersteigt.
Diamanten gratis
Hersteller von synthetischen Diamanten haben versucht, ein ähnliches Maß an Einschlüssen zu erreichen. Im Gegensatz zu den meisten Schmuck- und technischen Diamanten, die durch Einwirkung von Graphit auf hohen Druck und hohe Temperaturen gewonnen werden, wurden „Quanten“-Steine durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. Kohlenstoffatome aus dem durch Erhitzen von Gasen gewonnenen Plasma wurden Schicht für Schicht auf dem Substrat abgeschieden.
Equipment zur Herstellung von Diamanten ist im Besitz mehrerer Labors auf der ganzen Welt, aber das britische Unternehmen Element Six (ehemals De Beers Industrial Diamond), das seit mehr als einem halben Jahrhundert Diamanten synthetisiert, ist zum Zentrum der Industrie zur Herstellung von "Quanten" -Diamanten. Mittlerweile produziert das Unternehmen jährlich mehrere hundert Steine, die für die Forschung im Bereich der Quantenphysik geeignet sind. Ihre Gesamtzahl wird bald anderthalbtausend erreichen.
Auf Anfrage von Forschern im Labor von Element Six können sie einen Diamanten mit einer ausgewählten Art von Kristallgitterdefekten herstellen, die nicht mehr als einmal in einer Milliarde Kohlenstoffatomen vorkommen. Wissenschaftler können die Anzahl der verschiedenen Kohlenstoffisotope in der Diamantstruktur und die Verteilung von Defekten im Kristallgitter, das Atom für Atom steht, durch seine Schichten steuern. Forschungsteams erh alten Diamanten, deren Herstellung jeweils etwa tausend Dollar kostet, absolut kostenlos. Element Six hofft, dass die Entwicklungen der Wissenschaftler zu neuartigen Geräten mit Diamanten führen werden – und damit zu neuen Märkten.
Die Qubits verschränken
Aber Qubits zusammenzusetzen und sie dazu zu bringen, zusammenzuarbeiten, um Quantencomputer auszuführen, ist keine leichte Aufgabe. Wrachtrups Ansatz besteht darin, Defekte im Diamant-Kristallgitter, die das Quantendatenregister bilden, in einem Abstand von nur 20 nm voneinander zu platzieren, sodass die Quantenzustände der darin „wohnenden“Elektronen miteinander verschränkt werden können. Diamanthersteller mussten hart an einer so schwierigen Aufgabe arbeiten. Darüber hinaus erfordert die Nähe von Elektronen, die ihre Quantenverschränkung ermöglicht, eine genaue Kontrolle des Quantenzustands der miteinander wechselwirkenden Teilchen. Wenn das System skaliert, häufen sich diese Probleme.
Ein alternativer Ansatz besteht darin, Photonen als Vermittler zu verwenden, die weit voneinander entfernte Qubits verbinden. Dieses von Ronald Henson von der Technischen Universität Delft (Niederlande) vorgeschlagene Schema kann nützlich sein, wenn Informationen über große Entfernungen übertragen werden. Aber für seine praktische Umsetzung ist es notwendig, dass die Verschränkung mehrmals pro Sekunde erzeugt wird (diese Begrenzung wird durch die Lebensdauer des Qubits auferlegt). In der Zwischenzeit gelang es Hensons Team nur einmal alle 10 Minuten eine Quantenverschränkung zu erreichen. Physiker hoffen, dass die Verwendung von Spiegeln und Hohlräumen in der Struktur von Diamant, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein Photon mit einem Elektron wechselwirkt, die gewünschte Frequenz der Quantenverschränkung erreichen wird.
Gegenwärtig haben die komplexesten Quantensysteme (von zwei Forscherteams unabhängig voneinander entwickelt) jeweils vier verschränkte Qubits.
Kleine Magnete
Während Physiker darum kämpfen, Quantencomputersysteme zu entwickeln, sind Fortschritte in anderen Anwendungsbereichen von „Quanten“-Diamanten erkennbar. Der Einfluss der unmittelbaren Umgebung auf die Quanteneigenschaften von Elektronen in Defekten im Kristallgitter könne zum Vorteil gelenkt werden, stellten die Wissenschaftler fest. Die Beziehung zwischen dem Spin eines Teilchens und seinem magnetischen Moment ermöglicht die Verwendung von Elektronen als Magnetfelddetektoren.
In ähnlicher Weise arbeiten MRT-Geräte, die die Änderung des Spins von Wasserstoffatomen unter dem Einfluss eines Magnetfelds nutzen, um in den menschlichen Körper hineinzuschauen. Um jedoch ein Signal zu empfangen, benötigen sie Millionen von untersuchten Atomen. Die Genauigkeit von Tomographen, die für andere Arten von Untersuchungen verwendet werden, kann verbessert werden, indem Proben auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden. Elektronen in Gitterdefekten können jedoch auf ein Magnetfeld reagieren, das von einem einzelnen Atom bei Raumtemperatur erzeugt wird. Dadurch war es möglich, den Spin eines einzelnen Moleküls zu messen und die elektromagnetischen Veränderungen zu beobachten, die im Inneren einer lebenden Zelle stattfinden. Lukins Team war auch in der Lage, die Temperatur in einer lebenden Zelle auf das nächste Hundertstel Grad genau zu messen und dabei die Reaktion eines empfindlichen Elektrons auf die Ausdehnung und Kontraktion des Kristallgitters während des Erhitzens und Abkühlens festzustellen.
Diamantwald
Die Herstellung von Diamanten, die als solche Sensoren verwendet werden könnten, bereitet jedoch echte Kopfschmerzen. Proben von Element Six und anderen Herstellern können nicht vom Substrat getrennt werden, und unter hohem Druck und hoher Temperatur hergestellte Diamanten enth alten zu viele Verunreinigungen.
Die Lösung für dieses Problem wurde von der amerikanischen Firma Diamond Nanotechnologies vorgeschlagen: Auf einen Diamanten kann eine „Maske“aufgebracht werden – nanoskalige Punkte aus einer Legierung aus Gold und Palladium, die dann ungeschützte Bereiche der Oberfläche sein können geätzt. Als Ergebnis werden winzige Diamant-" Säulen" gebildet, deren Metallspitzen entfernt werden können. Stickstoffeinschlüsse in solchen "Säulen" sind weit genug voneinander entfernt, um eine hohe Empfindlichkeit von Sensoren zu gewährleisten, die auf der Basis von "Nanodiamant" hergestellt wurden.
Was kann einen Diamanten ersetzen?
Um alle vielversprechenden Eigenschaften von Diamantkristalldefekten aufzudecken, müssen Forscher Methoden für die hochpräzise Dotierung von Proben (Einbringen von Verunreinigungen an einer genau definierten Stelle), die Herstellung komplexer Diamant-Nanostrukturen und dünne Filme entwickeln.
Die Erfüllung dieser Anforderungen bei der Arbeit mit anderen Materialien (z. B. Silikon) ist eine Routineaufgabe. Wissenschaftler fragen sich, ob diese Materialien so hergestellt werden können, dass sie wie "Quanten" -Diamanten funktionieren, von denen viele scheinbar unmöglich zu replizieren sind. Im Jahr 2011 zeigten Forscher, dass die Kristallgitterdefekte von Siliziumkarbid (im Vergleich zu einem billigen, kommerziell hergestellten Halbleiter) Elektronen „einfangen“können, die für die Verwendung als Qubits geeignet sind. Leider ist die Lebensdauer eines „Silizium“-Qubits bei Raumtemperatur 20-mal kürzer als die eines „Diamant“-Qubits – und in den meisten Fällen ist dies zu kurz für den praktischen Einsatz.
Theoretische Forschung ermöglicht es Physikern vorherzusagen, welche Materialien als Ersatz für "Quanten" -Diamanten dienen können, aber für die meisten Forschungsgruppen bleiben synthetische Diamanten, die ihren natürlichen Gegenstücken qualitativ viel überlegen sind, das Hauptforschungsobjekt. Fragmente des russischen Diamanten, der sich als Ursprung dieses Forschungsgebiets herausstellte, werden immer noch in Labors aufbewahrt. Und laut Vrachtrup ist es immer noch eines der besten Beispiele.
