Sviluppo della tecnologia fotonica per accelerare l'applicazione del diamante artificiale

I progressi nella produzione di diamanti sintetici hanno reso possibili nuove tecnologie fotoniche, ma rimangono molte sfide per queste nuove tecnologie al servizio delle applicazioni quantistiche.
Negli ultimi dieci anni circa, guidati da una serie di tendenze tecnologiche chiave e dalla domanda del mercato, molte tecnologie fotoniche commerciali emergenti che sfruttano le speciali proprietà fisiche del diamante hanno registrato progressi significativi. Le innovazioni nella sintesi del diamante di qualità ottica mediante deposizione chimica da vapore (CVD), l'ingegneria del centro di colore del diamante e le tecnologie per la fabbricazione di componenti ottici e strutture fotoniche del diamante hanno reso possibili questi progressi.
Applicazioni fotoniche basate sulle eccellenti proprietà intrinseche 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 volte quello del rame), pur avendo un basso coefficiente termo-ottico. Queste proprietà rendono l'ottica del diamante ideale per applicazioni laser industriali ad alta potenza, tra cui lavorazione, saldatura e produzione additiva, dove è applicabile a molte parti diverse dello spettro elettromagnetico.
Inoltre, il diamante è la sostanza più dura conosciuta sulla terra ed è estremamente duro e robusto, il che lo rende ideale anche per applicazioni di difesa e sicurezza che richiedono componenti ottici e infrarossi robusti e la capacità di funzionare in ambienti molto difficili.
Il diamante CVD di qualità ottica è disponibile in forma monocristallina e policristallina. Il vantaggio del diamante policristallino è che può essere utilizzato per dispositivi di grandi dimensioni fino a 135 mm di diametro. Ad esempio, può essere utilizzato come finestra per laser CO2 ad alta potenza da 10,6 μm per sistemi di litografia a ultravioletti estremi (EUV) per i nodi di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore più avanzati.
Questa tecnologia, guidata dal tenere il passo con la legge di Moore, fa molto affidamento sulla sintesi e sull'elaborazione di finestre di diamante secondo rigorosi standard di qualità ottica, poiché nessun altro materiale ottico può funzionare nelle condizioni laser estreme richieste.
Le perdite di scattering nel diamante CVD policristallino a lunghezze d'onda inferiori a circa 1,5 μm significano che la maggior parte delle applicazioni in quella gamma sono affrontate utilizzando diamante a cristallo singolo. A causa delle limitazioni dimensionali dei substrati diamantati attualmente disponibili, gli elementi diamantati monocristallini sono in genere di circa 5-10 mm di lunghezza e, sebbene alcuni produttori stiano sviluppando diamanti monocristallini di grandi dimensioni su substrati non diamantati, questo materiale non può essere utilizzato per tutte le applicazioni ottiche grazie alla sua deformazione interna relativamente elevata.
Nonostante i limiti dimensionali, sono state sviluppate alcune tecniche di fotonica del diamante CVD a cristallo singolo, come i laser Raman del diamante basati sugli esclusivi cristalli a basso assorbimento di luce ea bassa birifrangenza di Element Six.
Questi laser non lineari sfruttano il fenomeno della diffusione Raman eccitata per convertire il raggio della pompa in un raggio di uscita spostato di Stokes, ampliando così la gamma di sorgenti laser disponibili per nuove applicazioni che coprono l'UV a IR, tra cui: saldatura di materiali, stampa 3D, energia diretta , LIDAR, telerilevamento e stelle a guida laser (LGS).
Il diamante ha uno dei più alti coefficienti di guadagno Raman che, combinato con la sua eccellente conduttività termica, lo rende un mezzo di guadagno ideale per dimostrare il ridimensionamento della potenza e il miglioramento della luminosità, anche nella regione spettrale "sicura per l'occhio umano" di 1.{{1} }.8 micron. In questa gamma, la scelta delle sorgenti laser disponibili è stata precedentemente limitata.
Espansione delle applicazioni di Diamond attraverso Color Core Engineering
Mentre il diamante ha un eccellente insieme di proprietà ottiche intrinseche, ha anche centinaia di diversi difetti otticamente attivi (centri di colore). Alcuni di questi sono importanti per le applicazioni tecniche che sfruttano lo stato quantico della luce e le proprietà di spin elettronico dei centri di colore, comprese le comunicazioni quantistiche, l'informatica quantistica e una serie di applicazioni di rilevamento.
Di particolare rilievo è il centro di colore dell'azoto vacante (NV), un difetto puntiforme luminescente nel diamante che è stato oggetto di intense ricerche grazie alla capacità di manipolare facilmente il suo stato quantico mediante l'applicazione di luce e campi RF a temperatura ambiente.
A seconda del processo di applicazione finale, è possibile creare centri colore NV in due modi. Uno consiste nel controllare il drogaggio dell'azoto durante il processo di crescita CVD in modo che gli atomi di azoto siano distribuiti in tutto il materiale alla concentrazione desiderata. D'altra parte, è richiesto un controllo spaziale preciso dei singoli centri di colore, utilizzando l'iniezione di azoto. I posti vacanti del reticolo vengono quindi creati mediante irradiazione di elettroni ad alta energia e il cristallo viene ricotto ad alte temperature per mobilitare i posti vacanti per legarsi con gli atomi di azoto nel cristallo, risultando in centri di colore NV. Un approccio simile può essere utilizzato per formare altri centri di colore personalizzati come i centri per le vacanze di silicio (SiV) o per le vacanze di germanio (GeV).
Per l'elaborazione dell'informazione quantistica sono necessari array di centri di colore, sia per controllarne le proprietà quantistiche sia per accoppiare in modo efficiente i singoli centri attraverso le cavità fotoniche. A causa dell'inerzia chimica del diamante e della mancanza di un'ampia disponibilità sul mercato, sono ancora necessari notevoli sforzi e finanziamenti per sviluppare le tecniche di nanofabbricazione necessarie per tali strutture; tuttavia, negli ultimi anni, i ricercatori hanno compiuto grandi progressi in questo settore, compresa la fabbricazione di nanostrutture complesse sotto forma di guide d'onda, colonne, cavità e dischi, utilizzando una varietà di tecniche di fotolitografia e impiegando fasci di plasma e ioni reattivi per l'incisione .
Sfide future per raggiungere la fotonica quantistica del diamante
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi nella produzione di diamanti con elevata qualità ottica intrinseca e centri di colore di alta qualità e hanno consentito molte tecniche fotoniche avanzate nuove ed esistenti.
Tuttavia, rimangono una serie di sfide prima che le applicazioni dei diamanti nella fotonica quantistica possano essere implementate con successo come chip scalabili per applicazioni come l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Questi includono: miglioramento dell'ingegneria centrata sul colore e robustezza dei bit quantistici; fabbricazione di wafer; e integrazione ibrida con altri materiali e componenti fotonici. Nonostante queste sfide, l'attuale ricerca rivolta a queste aree è molto attiva e sono previsti progressi sostanziali nei prossimi anni.