Los centros de vacancia de estaño (Sn-V) en el diamante tienen el potencial de funcionar como nodos cuánticos en redes cuánticas para transmitir información. Sin embargo, presentan limitaciones al mostrar propiedades ópticas para generar entrelazamiento cuántico. Los investigadores de Tokyo Tech ahora han superado este desafío al generar centros Sn-V estables que pueden producir fotones con frecuencias y anchos de línea casi idénticos, allanando el camino para el avance de los centros Sn-V como una interfaz de materia de luz cuántica.

El entrelazamiento cuántico se refiere a un fenómeno de la mecánica cuántica en el que dos o más partículas se vinculan de tal manera que el estado de cada partícula no se puede describir independientemente de las demás, incluso cuando están separadas por una gran distancia. El principio, al que Albert Einstein se refirió como « acción espeluznante a distancia », ahora se utiliza en redes cuánticas para transferir información. Los componentes básicos de estas redes, los nodos cuánticos, pueden generar y medir estados cuánticos.

Entre los candidatos que pueden funcionar como nodos cuánticos, se ha demostrado que el centro Sn-V en el diamante (un defecto en el que un átomo de estaño (Sn) reemplaza a un átomo de carbono, lo que da como resultado un átomo de Sn intersticial entre dos vacantes de carbono) tiene propiedades adecuadas. para aplicaciones de redes cuánticas. Se espera que el centro Sn-V exhiba un largo tiempo de coherencia de espín en el rango de milisegundos a temperaturas Kelvin, lo que le permite mantener su estado cuántico durante un período de tiempo relativamente largo. Sin embargo, estos centros aún tienen que producir fotones con características similares, lo cual es un criterio necesario para crear estados cuánticos entrelazados remotos entre nodos de redes cuánticas.

Ahora, en un estudio publicado en Physical Review Applied, los investigadores dirigidos por el profesor asociado Takayuki Iwasaki del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, han observado centros Sn-V con una frecuencia de fotones y un ancho de línea idénticos, lo que marca una nueva fase en el uso de estos centros como nodos cuánticos.

« El control del ancho de línea y la longitud de onda es un desafío en los materiales de estado sólido. Esto es especialmente cierto para los centros Sn-V, que están compuestos por átomos pesados, porque su incorporación en el diamante provoca más defectos y una mayor tensión alrededor de los emisores », dice. Dra. Iwasaki.

Los investigadores utilizaron una combinación de implantación de iones y recocido de alta presión y alta temperatura (HPHT) para formar centros Sn-V en diamantes. Se utilizó la implantación de iones para implantar iones Sn en sustratos de diamante. Luego, estas muestras se expusieron a altas temperaturas de 2100 °C y altas presiones de 7,7 GPa en un aparato tipo correa. Con este proceso de dos pasos, los investigadores eliminaron los efectos de los defectos superficiales y la tensión en las propiedades ópticas de los centros Sn-V y abordaron los problemas con los defectos que normalmente se enfrentan al generar los centros Sn-V.

« El tratamiento a alta temperatura abordó de manera eficiente el daño de la red. En consecuencia, se suprimió en gran medida la tensión alrededor de los emisores. Además, los centros Sn-V se formaron a una profundidad de aproximadamente 3 micrómetros desde la superficie de las muestras. Esto suprimió el efecto de tensión y defectos cargados en la superficie, cambiando potencialmente el nivel de energía de los emisores », nos dice el Dr. Iwasaki.

Al escanear posteriormente las diferentes áreas de la muestra con un láser sintonizable de ancho de línea estrecho y analizar la luz emitida, el equipo observó múltiples centros Sn-V con frecuencias de fotones y anchos de línea casi idénticos, lo que marcó la formación exitosa de centros Sn-V estables que eran adecuados para su uso como nodos cuánticos.

El Dr. Iwasaki es optimista sobre las implicaciones futuras de su trabajo. « La formación de centros Sn-V de alta calidad conduce directamente a la observación de la interferencia de dos fotones entre emisores distantes y al establecimiento futuro de centros Sn-V en diamantes como una interfaz de materia de luz cuántica », dice.