В РФ впервые в мире в микроволновой плазме вырастили алмазы с оловом для квантовых компьютеров

Ученые впервые в мире вырастили в микроволновой плазме алмазы с примесью олова размером в несколько микрометров. Такие кристаллы способны поглощать и переизлучать видимый свет, что потенциально можно использовать для передачи информации между элементами квантовых компьютеров. Результаты исследования,поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society A.

Квантовые компьютеры позволяют решать некоторые задачи — например, моделировать молекулярные системы — значительно быстрее, чем самые мощные «классические» суперкомпьютеры. Они работают на основе кубитов — квантовых вычислительных элементов, которые служат альтернативой битам в обычных компьютерах и способны совершать более сложные операции, тем самым увеличивая скорость вычислений.

Роль кубитов могут играть примесные центры окраски из олова, германия или кремния в алмазах. Включения этих элементов в кристаллическую решетку приводят к появлению новых спиновых состояний, что может использоваться для кодирования информации. Трудность заключается в том, что такие состояния получаются только при крайне низких температурах. В случае кремниевых и германиевых центров речь идет о температурах ниже 1 Кельвина (или -272°C), тогда как у оловянных центров рабочая температура несколько выше 2–5 Кельвинов (от -271°C до -268°C). Это значит, что разрабатывать квантовые устройства на оловянных центрах будет проще и дешевле. Однако надежного метода синтеза крупных высококачественных алмазов с включениями олова до сих пор нет. Созданные сегодня кристаллы или значительно меньше требуемого размера, или обладают недостаточно хорошими оптическими свойствами.

Ученые изИнститута общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) с коллегами впервые в мире создали в СВЧ-плазме алмазные микрочастицы с одиночными центрами окраски из олова. Авторы вырастили алмазы в реакторе, заполненном метаном и водородом. Исследователи поместили в установку затравочные кристаллы алмаза, а также частицы оксида олова и нагрели их СВЧ-излучением (микроволновой плазмой) до температур около 1000°C. Метан при этом служил источником атомов углерода — «строительных блоков» для растущего алмаза, а водород извлекал из частиц отдельные атомы олова, которые сначала поступали в газовую среду, а затем оседали на поверхность алмаза и включались в его кристаллическую решетку.

Авторы исследовали структуру полученных кристаллов с помощью растрового электронного микроскопа. Частицы имели размер 2–4 микрометра (что сопоставимо со средним размером бактерий) и характерную для высококачественных алмазов форму кубооктаэдров — многогранников с чередующимися треугольными и прямоугольными гранями.

Кроме того, исследователи оценили оптические свойства кристаллов, изучив спектры люминесценции образцов. Полученные результаты подтвердили, что в кристаллическую решетку некоторых алмазов действительно встроились частицы олова, однако большинство образцов оказались обычными алмазами без центров окраски. Это подчеркивает, что включать атомы олова в алмазы довольно трудно, однако предлагаемый авторами метод принципиально позволяет это сделать.

«Наша работа доказала, что изготовить высококачественные алмазы с оловом вполне реально. Получаемые предложенным нами способом алмазы будут полезны в области оптической сенсорики температуры, квантовой оптики, а также для хранения и передачи квантовой информации. В дальнейшем мы планируем совершенствовать методику для синтеза высококачественных пленок с включениями олова на макроскопических алмазных кристаллах размером в несколько миллиметров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вадим Седов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики РАН.

В исследовании также принимали участие сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва),МИРЭА — Российского технологического университета (Москва), Московского педагогического государственного университета (Москва) и Школы физики и астрономии Кардиффского университета (Великобритания).

Схема синтеза алмазов с центрами окраски из олова. Источник: Вадим Седов.

Изображения: пресс-служба Российского научного фонда

Источник: poisknews.ru

Комментарии: