마릴린 먼로 (Marilyn Monroe)는 다이아몬드가 소녀의 가장 친한 친구라는 노래를 불렀지만, 양자 과학자들에게도 매우 인기가 있다. 합성 다이아몬드 기반 양자 기술의 개발을 가속화하고 확장성을 개선하며 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 두 가지 새로운 연구 혁신이 있다.

실리콘은 전통적으로 컴퓨터 및 휴대폰 하드웨어에 사용되지만 다이아몬드는 양자 슈퍼 컴퓨터, 보안 통신 및 센서와 같은 새로운 양자 기술의 기반으로 특히 유용한 고유한 특성을 가지고 있다.

그러나 두 가지 주요 문제가 있다. 1백만 분의 1미터보다 작은 단결정 다이아몬드 층을 제조하는 데 어려움이 있다.

Igor Aharonovich 교수가 이끄는 시드니기술대학(UTS)의 ARC Center of Transformative Meta-Optics 우수 연구팀은 이러한 과제를 해결하는 Nanoscale 및 Advanced Quantum Technologies의 두 연구 논문을 발표했다.

"양자 응용 분야에서 다이아몬드를 사용하려면, 우리는 다이아몬드 장치 (공동 및 도파관)의 '광학 결함'을 정밀하게 엔지니어링하여 큐비트 (기존 컴퓨터 비트의 양자 버전) 형태로 정보를 제어, 조작 및 판독해야 한다.”고 Aharonovich 교수가 말했다.

"이것은 빛이 원하는 방향으로 이동하고 튕겨 나가도록 하기 위해 매우 얇은 다이아몬드 시트에 구멍을 자르거나 협곡을 조각하는 것과 유사하다."고 그는 말했다.

"에칭"문제를 극복하기 위해 연구원들은 얇은 금속 텅스텐 층을 사용하여 다이아몬드 나노 구조를 패턴화하여 1차원 광 결정 공동을 생성할 수 있는 새로운 하드 마스킹 방법을 개발했다.

"텅스텐을 하드 마스크로 사용하면 다이아몬드 제조의 몇 가지 단점을 해결할 수 있다. 균일한 구속 전도층 역할을 하여 나노 스케일 해상도에서 전자 빔 리소그래피의 실행가능성을 향상시킨다."고 Nanoscale의 논문 주 저자인 UTS Ph.D. 후보 Blake Regan이 말했다.

우리가 아는 한, 우리는 종자에서 꽃을 재배하는 것과 같이 상향식 접근 방식을 사용하여 다결정 재료에서 단결정 다이아몬드 구조의 성장에 대한 첫 번째 증거를 제공한다고 말한다.

그는 또한 주변 조건에서 선택한 기판으로 다이아몬드 소자를 제조 후 이송할 수 있게 해준다. 프로세스를 더욱 자동화하여 다이아몬드 기반 양자 광자 회로를 위한 모듈식 부품을 만들 수 있다.

텅스텐 층의 폭은 30nm로 사람의 머리카락보다 약 10,000배 더 얇지 만 300nm이상의 다이아몬드 식각이 가능해 다이아몬드 가공을 위한 기록적인 선택성이 있다.

또 다른 장점은 텅스텐 마스크를 제거할 때 현재 사용중인 가장 위험한 산 중 하나인 플루오르화 수소산을 사용할 필요가 없기 때문에 다이아몬드 나노 제조 공정의 안전성과 접근성이 크게 향상된다는 것이다.

비용 문제를 해결하고 확장성을 개선하기 위해 팀은 다결정 기판에서 양자 결함이 내장된 단결정 다이아몬드 광자 구조를 성장시키는 혁신적인 단계를 추가로 개발했다.

UTS Ph.D는 "우리의 공정은 수 mm2로 제한되는 전통적으로 사용되는 고품질 단결정 다이아몬드와 달리 대형 웨이퍼로 사용할 수 있는 저가의 대형 다결정 다이아몬드에 의존한다"고 Advanced Quantum Technologies 연구의 주 저자인 Milad Nonahal 후보가 말했다.

"우리가 아는 한, 우리는 종자에서 꽃을 재배하는 것과 같은 상향식 접근 방식을 사용하여 다결정 물질에서 단결정 다이아몬드 구조의 성장에 대한 첫 번째 증거를 제공한다”고 그는 덧붙였다.

두 번째 연구의 선임 저자인 UTS Mehran Kianinia 박사는 "우리의 방법은 값 비싼 다이아몬드 재료의 필요성과 다이아몬드 양자 하드웨어의 상용화를 가속화하는 데 핵심적인 이온 주입의 사용을 제거한다."고 말했다.