Fotonikos technologijų plėtra, siekiant paspartinti dirbtinio deimantų naudojimą

Pažanga sintetinių deimantų gamyboje leido sukurti naujas fotonikos technologijas, tačiau šioms naujoms technologijoms lieka daug iššūkių aptarnaujant kvantines programas.
Per pastarąjį dešimtmetį, dėl daugelio pagrindinių technologijų tendencijų ir rinkos paklausos, daugelis komercinių, naujų fotonikos technologijų, kurios naudojasi ypatingomis fizinėmis deimantų savybėmis, padarė didelę pažangą. Šią pažangą padarė naujovės, susijusios su optinės kokybės deimantų sinteze cheminiu garų nusodinimu (CVD), deimantų spalvų centro inžinerija ir deimantinių optinių komponentų bei fotoninių struktūrų gamybos technologijomis.
Fotonikos programos, pagrįstos puikiomis deimantų savybėmis
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 kartus didesnis nei vario), tuo tarpu turi mažą termooptinį koeficientą. Dėl šių savybių deimantinė optika idealiai tinka didelės galios pramoniniams lazeriams, įskaitant apdirbimą, suvirinimą ir priedų gamybą, kur ji taikoma daugeliui skirtingų elektromagnetinio spektro dalių.
Be to, deimantas yra kiečiausia žinoma medžiaga žemėje, ji itin kieta ir tvirta, todėl puikiai tinka gynybos ir saugumo reikmėms, kurioms reikalingi tvirti optiniai ir infraraudonųjų spindulių komponentai bei gebėjimas veikti labai sudėtingoje aplinkoje.
Optinės kokybės CVD deimantas yra vieno kristalo ir polikristalinio pavidalo. Polikristalinio deimanto privalumas yra tas, kad jis gali būti naudojamas didelių matmenų didelio ploto įrenginiams iki 135 mm skersmens. Pavyzdžiui, jis gali būti naudojamas kaip didelės galios 10,6 μm CO2 lazerių langas, skirtas ekstremalioms ultravioletinių spindulių (EUV) litografijos sistemoms pažangiausiems puslaidininkinių prietaisų gamybos mazgams.
Ši technologija, kurią skatina žengti koja kojon su Moore'o įstatymu, labai priklauso nuo deimantinių langų sintezės ir apdorojimo pagal griežtus optinės kokybės standartus, nes jokia kita optinė medžiaga negali veikti esant ekstremalioms lazerio sąlygoms.
Išsklaidymo nuostoliai polikristaliniame CVD deimante, kai bangos ilgis yra mažesnis nei maždaug 1,5 μm, reiškia, kad dauguma šio diapazono programų yra sprendžiamos naudojant monokristalinį deimantą. Dėl šiuo metu turimų deimantinių pagrindų dydžio apribojimų, vieno kristalo deimantiniai elementai paprastai yra maždaug 5-10 mm ilgio, ir nors kai kurie gamintojai kuria didelio ploto vieno kristalo deimantus ant ne deimantų pagrindo, ši medžiaga negali gali būti naudojamas visoms optinėms reikmėms dėl gana didelės vidinės įtampos.
Nepaisant dydžio apribojimų, buvo sukurti kai kurie vieno kristalo CVD deimantų fotonikos metodai, pavyzdžiui, deimantiniai Ramano lazeriai, pagrįsti unikaliais Element Six mažai šviesos sugeriančiais, mažo dvigubo lūžio kristalais.
Šie netiesiniai lazeriai išnaudoja sužadinto Ramano sklaidos reiškinį, kad siurblio spindulį paverstų Stokso poslinkio išėjimo spinduliu, taip išplečiant galimų lazerio šaltinių spektrą naujoms programoms, apimančioms UV ir IR, įskaitant: medžiagų suvirinimą, 3D spausdinimą, nukreiptą energiją. , LIDAR, nuotolinio stebėjimo ir lazeriu valdomos žvaigždės (LGS).
Deimantė turi vieną didžiausių Ramano stiprinimo koeficientų, todėl kartu su puikiu šilumos laidumu jis yra ideali stiprinimo terpė demonstruojant galios mastelį ir ryškumo didinimą, įskaitant „žmogaus akiai saugią“ spektro sritį 1.{1} },8 μm. Šiame diapazone galimų lazerinių šaltinių pasirinkimas anksčiau buvo ribotas.
Deimantų pritaikymo galimybių išplėtimas naudojant Color Core Engineering
Nors deimantas turi puikų vidinių optinių savybių rinkinį, jis taip pat turi šimtus skirtingų optiškai aktyvių defektų (spalvų centrų). Kai kurie iš jų yra svarbūs techninėms programoms, kurios išnaudoja kvantinę šviesos būseną ir spalvų centrų elektronų sukimosi savybes, įskaitant kvantinį ryšį, kvantinį skaičiavimą ir daugybę jutimo programų.
Ypač atkreiptinas dėmesys į azoto laisvos vietos (NV) spalvų centrą – liuminescencinio taško defektą deimante, kuris buvo intensyvių tyrimų objektas dėl galimybės lengvai manipuliuoti jo kvantine būsena, naudojant šviesos ir RF laukus kambario temperatūroje.
Priklausomai nuo galutinio taikymo proceso, NV spalvų centrus galima sukurti dviem būdais. Vienas iš jų yra kontroliuoti azoto dopingą CVD augimo proceso metu, kad azoto atomai būtų paskirstyti visoje medžiagoje norima koncentracija. Kita vertus, reikalingas tikslus atskirų spalvų centrų erdvinis valdymas naudojant azoto įpurškimą. Tada gardelės laisvos vietos sukuriamos apšvitinant didelės energijos elektronais, o kristalas atkaitinamas aukštoje temperatūroje, kad būtų mobilizuojamos laisvos vietos, kad susijungtų su kristale esančiais azoto atomais, todėl susidaro NV spalvų centrai. Panašus metodas gali būti naudojamas formuojant kitus pritaikytus spalvų centrus, tokius kaip silicio laisvų darbo vietų (SiV) arba germanio laisvų darbo vietų (GeV) centrai.
Kvantinės informacijos apdorojimui reikalingos spalvų centrų matricos – ir jų kvantinėms savybėms valdyti, ir efektyviai atskiriems centrams sujungti per fotonines ertmes. Dėl deimantų cheminės inertiškumo ir plataus prieinamumo rinkoje trūkumo vis dar reikia daug pastangų ir finansavimo, kad būtų sukurtos tokioms struktūroms reikalingos nanoapdirbimo technologijos; tačiau pastaraisiais metais mokslininkai padarė didelę pažangą šioje srityje, įskaitant sudėtingų nanostruktūrų kūrimą bangolaidžių, kolonų, ertmių ir diskų pavidalu, naudojant įvairius fotolitografijos metodus ir naudojant plazmos ir reaktyviųjų jonų pluoštus ėsdinant. .
Ateities iššūkiai norint pasiekti deimantų kvantinę fotoniką
Pastaraisiais metais mokslininkai padarė didelę pažangą gamindami deimantus, pasižyminčius aukšta optine kokybe ir aukštos kokybės spalvų centrais, ir įgalino daug naujų ir esamų pažangių fotonikos metodų.
Tačiau lieka nemažai iššūkių, kol deimantų taikymas kvantinėje fotonikoje gali būti sėkmingai įgyvendintas kaip keičiamo dydžio lustai tokioms programoms kaip kvantinės informacijos apdorojimas. Tai apima: į spalvas orientuotos inžinerijos tobulinimą ir kvantinių bitų tvirtumą; vaflių gamyba; ir hibridinė integracija su kitomis fotoninėmis medžiagomis ir komponentais. Nepaisant šių iššūkių, dabartiniai šioms sritims skirti tyrimai yra labai aktyvūs ir artimiausiais metais tikimasi didelės pažangos.