Квантовые компьютеры работают на основе кубитов – квантовых вычислительных элементов, которые служат альтернативой битам в обычных компьютерах и способны совершать более сложные операции, 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.
Однако 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). Поэтому 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.
Исследователи из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) с коллегами впервые в мире создали в СВЧ-плазме алмазные микрочастицы с одиночными центрами окраски из олова. Ученые вырастили алмазы в реакторе, заполненном метаном и водородом.
Они 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.
Структуру полученных кристаллов изучили 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.
Исследования также показали, что в кристаллическую решетку некоторых алмазов встроились частицы олова, однако большинство образцов оказались обычными алмазами без центров окраски. Это означает, 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 Вадим Седов, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society A.
.jpg)
