Ερευνητές ανακάλυψαν το κβαντικό «μυστικό» στο εσωτερικό των διαμαντιών

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα από το Hebrew University of Jerusalem και το Humboldt University του Βερολίνου κατάφερε να ξεκλειδώσει τη «μαγεία» που κρύβεται μέσα στα διαμάντια, όχι για να τα κάνει να λάμπουν περισσότερο, αλλά για να τα μετατρέψει σε θεμέλιο λίθο της επόμενης γενιάς κβαντικών τεχνολογιών.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν τρόπο να συλλέγουν σχεδόν κάθε φωτόνιο που εκπέμπεται από τα λεγόμενα «color centers», μικροσκοπικά ελαττώματα στη δομή του διαμαντιού, ξεπερνώντας ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην ανάπτυξη πρακτικών κβαντικών συστημάτων.

Τα διαμάντια ήταν πάντα σύμβολο λάμψης και πολυτέλειας, ωστόσο, η νέα έρευνα αποδεικνύει ότι η πραγματική αξία τους ίσως κρύβεται στη μικροσκοπική κλίμακα και συγκεκριμένα σε αόρατα ελαττώματα που μπορούν να εκπέμπουν μεμονωμένα φωτόνια, τα βασικά σωματίδια του φωτός. Αυτά τα φωτόνια δεν είναι απλώς ακτίνες λάμψης, αλλά φορείς πληροφοριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα ασφαλούς επικοινωνίας ή εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων.

Τα λεγόμενα NV (nitrogen-vacancy) centers είναι μικροσκοπικές ατέλειες στη δομή του διαμαντιού, όπου ένα άτομο αζώτου παίρνει τη θέση ενός ατόμου άνθρακα. Αυτά τα σημεία λειτουργούν σαν «κβαντικοί διακόπτες φωτός», ικανοί να εκπέμπουν μεμονωμένα φωτόνια που μεταφέρουν κβαντική πληροφορία. Το πρόβλημα, μέχρι σήμερα, ήταν πως μεγάλο μέρος αυτής της ακτινοβολίας διασκορπιζόταν σε όλες τις κατευθύνσεις, καθιστώντας την συλλογή της ιδιαίτερα δύσκολη και περιορίζοντας τη χρησιμότητα των διαμαντιών στις εφαρμογές της κβαντικής τεχνολογίας.

Η ερευνητική ομάδα βρήκε έναν πρωτοποριακό τρόπο να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο. Τοποθέτησαν νανοδιαμάντια (διαμάντια χιλιάδες φορές μικρότερα από την ανθρώπινη τρίχα) μέσα σε ειδικά σχεδιασμένες υβριδικές νανοκεραίες. Αυτές οι κεραίες είναι κατασκευασμένες από μεταλλικά και διηλεκτρικά στρώματα που σχηματίζουν ένα μοτίβο «bullseye», το οποίο κατευθύνει το φως σε μια μοναδική, καλά ορισμένη κατεύθυνση.

Με ακρίβεια που αγγίζει το νανομέτρο, οι ερευνητές κατάφεραν να τοποθετήσουν τα νανοδιαμάντια ακριβώς στο κέντρο της κεραίας, εξασφαλίζοντας μέγιστη απόδοση στην εκπομπή φωτονίων. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: κατάφεραν να συλλέξουν το 80% του φωτός που εκπέμπεται, και μάλιστα σε θερμοκρασία δωματίου. Πρόκειται για ρεκόρ απόδοσης, καθώς μέχρι τώρα μόνο ένα μικρό ποσοστό του εκπεμπόμενου φωτός μπορούσε να αξιοποιηθεί.

Η εργασία θεωρείται καθοριστικής σημασίας για την εξέλιξη των κβαντικών συστημάτων. Ο καθηγητής Rapaport, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, εξήγησε ότι η προσέγγιση αυτή φέρνει τις κβαντικές εφαρμογές ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Με την πιο αποδοτική συλλογή φωτονίων, ανοίγουμε τον δρόμο για τεχνολογίες όπως η ασφαλής κβαντική επικοινωνία και οι υπερευαίσθητοι αισθητήρες.

Ο Dr. Lubotzky τόνισε τη σημασία του γεγονότος ότι η τεχνολογία λειτουργεί σε απλό, chip-based σχεδιασμό και σε συνθήκες δωματίου.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να την ενσωματώσουμε πολύ πιο εύκολα σε πραγματικά συστήματα, χωρίς την ανάγκη εξειδικευμένων περιβαλλόντων ή ακριβών υποδομών.

Η δυνατότητα συλλογής σχεδόν όλων των φωτονίων που παράγουν τα NV centers ανοίγει τον δρόμο για νέες, ρεαλιστικές εφαρμογές: από συσκευές ασφαλούς επικοινωνίας που είναι πρακτικά απρόσβλητες από υποκλοπές, μέχρι εξαιρετικά ευαίσθητους αισθητήρες που μπορούν να ανιχνεύουν μικροσκοπικές αλλαγές σε μαγνητικά ή ηλεκτρικά πεδία.

[via]