Semiconductor technology & processingGovernment funded research

15 min

Artificiële diamanten: van boorkoppen tot kwantumsensoren

Artificiële diamanten houden door hun unieke eigenschappen grote beloftes in op talrijke domeinen, zoals geneesmiddelenontwikkeling, satellietnavigatie en toepassingen in kwantumcomputers.

De weg naar artificiële diamanten 

Diamant vertoont een unieke combinatie van chemische, fysische, thermische en mechanische eigenschappen. Geen wonder dat wetenschappers zich al lang uitgedaagd voelen om dit edelgesteente langs synthetische weg te produceren. De eerste pogingen dateren uit de jaren 50. Uiteindelijk werd succes geboekt door synthese bij hoge druk en hoge temperatuur (high-pressure high-temperature, of HPHT). HPHT-diamanten werden al snel een onmisbaar materiaal voor de bouwsector: hun extreme hardheid komt er goed van pas om te zagen, te boren en te snijden.

Later werden andere synthesemethodes ontwikkeld om artificieel diamant op grotere schaal te produceren buiten de zone waarin het materiaal thermisch stabiel blijft. Een van deze procedés is chemisch opdampen (chemical vapor deposition of CVD), waarmee men voor het eerst diamanten kon laten groeien bij een lage druk van enkele tientallen mbar. Milos Nesladek van IMO-IMOMEC, een imec-onderzoeksgroep aan de Universiteit Hasselt: “Het CVD-proces omvat fundamenteel een reeks chemische reacties in gasfase en aan het oppervlak, met methaan en waterstof als de voornaamste uitgangsstoffen voor het diamantmateriaal. Deze methode om artificieel diamant te maken levert aanzienlijk zuiverder materiaal op. Producenten slagen er tegenwoordig in om artificiële diamantkristallen te maken die makkelijk duizend keer zuiverder zijn dan de beste natuurlijke diamanten.”

IMO-IMOMEC heeft ruime ervaring met het opdampen van diamant op allerlei dragers en kan heel nauwkeurig de opdampingsomstandigheden beïnvloeden om diamant met een welbepaalde kristalkwaliteit en materiaaleigenschappen te produceren.

“De kenmerken van artificieel diamant worden sterk bepaald door subtiele details in het productieproces”, aldus Milos Nesladek. “Wij slagen erin om sommige van deze diamantlaagjes qua hardheid of thermische en elektronische eigenschappen veel beter te maken dan de meeste natuurlijk gevormde diamanten.”

Steeds meer toepassingen

De bouwsector is allang niet meer de enige afnemer van artificiële diamanten. De evolutie in de productiemethodes heeft tot nieuwe, vaak verbluffende toepassingen geleid, die elk gebruikmaken van één of andere specifieke eigenschap van dit ‘wondermateriaal’. Denk aan de koepelvormige membranen in CVD-diamant die de klassieke luidsprekermembranen vervangen in exclusieve audiocomponenten uit het topsegment. Door de hoge Young-modulus van diamant (die de stijfheid van het materiaal aangeeft) kan dit membraan zeer hoge akoestische frequenties weergeven. 

Milos Nesladek: “Een ander voorbeeld is het gebruik van diamant voor elektrodes in elektrochemische processen (zoals zuivering of dissociatie), waarbij de hoge elektrische geleidbaarheid en lage corrosiviteit van het sterk met boor gedopeerde diamant goede diensten bewijzen. Omdat hoogzuiver CVD-diamant optisch transparant is over een ruim golflengtebereik, wordt het in de scheepvaartindustrie als optisch venster gebruikt voor snijbewerkingen met infraroodlasers. Diamant presteert ook uitstekend als warmte-afleider en die eigenschap bracht wetenschappers op het idee om diamanten warmte-afleiders te gebruiken in combinatie met gallium-nitride (GaN), en hiermee vermogenscomponenten te maken. Door het gebruik van diamant daalt de temperatuur van de halfgeleider aanzienlijk, terwijl de prestaties van de GaN-op-diamant vermogenstransistor intact blijven – ook bij hoge frequenties.”

Kwantumsensoren die magnetische velden detecteren

Toen het mogelijk werd om 12C isotopisch zuivere diamant te maken, kwamen plots veelbelovende kwantumtechnologische toepassingen in beeld. Fundamenteel voor deze applicaties is het aanbrengen van een puntdefect in het kristalrooster – een stikstofvacature of nitrogen-vacancy center (NV) – van ultrazuiver CVD-diamant. Dit defectcentrum heeft een elektronspintoestand (die een magnetisch moment heeft) die zich gedraagt als een enkelvoudige spinqubit, het kwantumfysische equivalent van een klassieke bit. Een belangrijke eigenschap van deze kwamtumbits in vergelijking met kwantumbits gemaakt van ‘gevangen’ ionen, supergeleidende of andere materialen, is dat ze bij kamertemperatuur kunnen functioneren.

Researchers at IMO-IMOMEC have created electrically readable qubits out of artificial diamond. The photographs show a diamond quantum device mounted on a microwave (MW) board for qubit addressing under pulsed green laser illumination providing spin initialization.

Researchers at IMO-IMOMEC have created electrically readable qubits out of artificial diamond. The photographs show a diamond quantum device mounted on a microwave (MW) board for qubit addressing under pulsed green laser illumination providing spin initialization.

Onderzoekers van IMO-IMOMEC zijn erin geslaagd om elektrisch leesbare qubits te maken uit artificieel diamant. Op de foto’s is een diamanten kwantum-device te zien, gemonteerd op een microgolf-bord om de qubit aan te spreken – waarbij gepulst groen laserlicht gebruikt wordt om de spin te initialiseren.

Voor Milos Nesladek en zijn collega’s bij IMO-IMOMEC zijn de NV-centers in diamant vooral handig om kwantumsensoren te ontwikkelen voor het detecteren van magnetische velden. “Bij dergelijke toepassingen ondergaat de spin van het NV-center een rotatie tijdens de werking”, legt Milos Nesladek uit. “Als er vervolgens interactie met een extern magnetisch veld plaatsvindt, treedt er een faseverschuiving op die wij met kwantumprotocols kunnen meten. Bovendien is de meting van een extern magnetisch veld met deze faseverschuiving veel nauwkeuriger dan met alle bestaande toestellen.”

Tot nu kon de spintoestand van deze vaste-stof-qubits bij kamertemperatuur alleen optisch worden afgelezen, met een omvangrijke optische installatie. Onderzoekers bij IMO-IMOMEC hebben onlangs ontdekt hoe ze enkelvoudige NV-centers elektrisch kunnen uitlezen (zoals beschreven in Science Magazine van februari 2019). Dit wettigt de hoop dat in de nabije toekomst sterke miniaturisatie en integratie in halfgeleiderplatformen mogelijk wordt. Dan ligt de weg open naar de productie van compacte magnetometers en andere toepassingen.

Van batterijmonitoring tot medische diagnoses

De kans bestaat dat kwantumsensoren met diamant voor het detecteren van elektromagnetische velden de eerste in de handel verkrijgbare kwantumtoestellen worden. Een veelbelovende industriële toepassing is het uiterst accuraat monitoren van de resterende batterijlading in bijvoorbeeld elektrische auto’s. Traditioneel wordt daarvoor ‘Coulomb-telling’ gebruikt, gebaseerd op metingen van de elektrische in- en uitstromen. Maar een dergelijke ladingmeting met een spoel is niet erg nauwkeurig. De uiterst gevoelige kwantumsensoren met diamant bieden de oplossing. De grotere precisie van de meting maakt het mogelijk om het rijbereik van een elektrische auto veel nauwkeuriger te voorspellen. Enkele constructeurs van elektrische wagens tonen alvast belangstelling.

Kwantumsensoren zijn ook een veel gevoeliger alternatief voor toestellen die steunen op het GMR-effect (giant-magnetoresistance), en in satellieten worden gebruikt voor navigatie. Milos Nesladek: “De gevoeligheid van kwantumsensoren ligt ruwweg een factor duizend hoger dan bij GMR’s, terwijl vectorwerking voor precieze navigatie in het magnetisch veld van de aarde zorgt. Maar diamanten kwantumsensoren zullen pas echt concurrerend worden met de huidige (goedkope) GMR-toestellen als de onderzoekers de kostprijs ervan sterk verlagen.”

Ten slotte zijn vaste-stof-qubits in ultrazuiver diamant bruikbaar om NMR-devices (nuclear magnetic resonance) op een chip te maken. Met deze NMR lab-op-een-chip wordt chemische analyse van moleculen in sub-nanoscopische volumes mogelijk. Toepassingen liggen op het domein van de geneesmiddelenontwikkeling of medische diagnostiek. Voor sommige toepassingen vervangen deze devices zelfs de omvangrijke, dure en minder gevoelige NMR-installaties die vandaag in gebruik zijn. “De technologieën achter deze kwantum-devices maken momenteel het voorwerp uit van een aantal Europese projecten (zoals ASTERIQS, Q-Magine en NanoSpin, een onderdeel van het Europese Quantum Flagship) waarbij ook IMO-IMOMEC betrokken is”, zegt Milos Nesladek. “Ondertussen zijn op dit domein ook al de eerste start-ups opgedoken. Verwacht wordt dat de eerste commerciële NMR-op-chip devices binnen vijf jaar een feit zullen zijn.”

De race voor de beste kwantumcomputer

Er liggen momenteel allerlei wegen naar de kwantumcomputer open, zoals (maar niet alleen) gevangen ionen, supergeleidende qubits, geïntegreerde fotonica, doperings-atomen in silicium en elektrische kwantumdots, die allemaal zo hun eigen voordelen hebben en stuk voor stuk bij cryogene temperaturen werken.

De race naar het meest schaalbare engineeringsysteem is volop aan de gang. Vaste-stof-qubits zoals diamant of SiC hebben een belangrijk voordeel omdat ze bij kamertemperatuur functioneren.

Toch moeten de diamanten qubitplatforms nog diverse obstakels overwinnen. Kwantumprocessoren vertonen immers enkele specifieke eigenschappen, zoals kwantumsuperpositie (waarbij qubits met een zekere waarschijnlijkheid nul kunnen zijn en met een zekere waarschijnlijkheid één) en kwantumverstrengeling (wat betekent dat qubits met elkaar verbinding maken en samen optreden). Hierdoor zijn ze in staat om problemen die ontoegankelijk zijn voor onze hedendaagse computers efficiënt op te lossen.

De grote moeilijkheid bestaat erin om in diamant een schaalbare superpositie en verstrengeling te verwezenlijken. Milos Nesladek: “Om te beginnen moeten de NV-centers heel dicht bij elkaar liggen (binnen 50nm) om efficiënte koppeling van de centers mogelijk te maken. Dit vereist lithografische hoge-resolutietechnieken. Verder is ‘single-shot’ spinuitlezing bij kamertemperatuur essentieel als NV-centers in aanmerking willen komen als qubit-kandidaat. Maar de waarschijnlijkheid waarmee wij de spintoestand van het NV-center bij kamertemperatuur kunnen uitlezen bedraagt momenteel maar 30%. Om die te verhogen moet er herhaaldelijk uitgelezen worden. Maar de waarschijnlijkheid stijgt tot vrijwel 100% bij gematigd lage temperaturen van zo’n 5 tot 10 Kelvin. Wij hebben bijgevolg technieken nodig om de waarschijnlijkheid van de spintoestanduitlezing bij kamertemperatuur te verbeteren. Momenteel werken wij aan beide problemen en ik ben optimistisch dat wij ze in de nabije toekomst kunnen oplossen. De race voor het beste systeem ligt dus nog open en ik denk dat NV-centers in diamant een heel goede kans maken …”

Milos Nesladek and his team at IMO-IMOMEC

Milos Nesladek en zijn team in IMO-IMOMEC, waaronder Emilie Bourgeois (gespecialiseerd in optische overgangen in halfgeleidende materialen), Michal Gulka (gespecialiseerd in protocollen voor spin-uitlezing) en Tanmoy Chakraborty (voormalig groepslid). Bij dit werk zijn ook verschillende doctoraat- en masterstudenten betrokken, namelijk Jaroslav Hruby, Jelle Vodnik en Jeroen Prooth. Het team werkt samen met de groep van Iuliana Radu op imec die silicium gebruikt als basis voor kwantumcomputer-technologie. 

 

Dit project wordt financieel gesteund door het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie met subsidieovereenkomst nr. 820394 (ASTERIQS – Quantum Flagship project), het DIAQUANT SBO-project S004018N van FWO en Q-Magine, een ERA-NET project in het kader van het Quantum Flagship. 

 

Meer weten?

  • De paper ‘Photoelectrical imaging and coherent spinstate readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond’ door Petr Siyushev et al. – onlangs gepubliceerd in Science Magazine (februari 2019) – is verkrijgbaar via deze link.
  • ‘Onderzoek UHasselt en imec in science: artificiële diamanten nieuwe stap in kwantumtechnologie’, persbericht
  • Bekijk ook de tv-reportage van tvl – ‘UHasselt haalt Science Magazine met slimme diamanten’.

 

Over Milos Nesladek 

Prof Milos Nesladek, PhD, behaalde zijn graad van MSc. aan de Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Praag, en zijn doctoraat aan de Czech Academic Sciences, in samenwerking met KU Leuven – in het domein van elektronisch transport in halfgeleiders. Hij is professor in de fysica aan de Universiteit Hasselt en maakt deel uit van IMO-IMOMEC, een imec-onderzoeksgroep aan UHasselt. Als wetenschapper is hij een van de pioneers in het domein van de groei van CVD-diamant-kristallen (in alle mogelijke vormen), een domein waar hij zich de laatste 30 jaar op heeft toegelegd. Prof. Nesladeks onderzoeksdomein spitst zich toe op de fotogeleiding in ‘condense’ materialen, met nadruk op brede-bandgap-halfgeleiders. Een voorbeeld van zijn onderzoek is de ontwikkeling van foto-elektrische uitlezing van vaste-stof-qubits in diamant – gebaseerd op paramagnetische spin-centra. Prof. Nesladek heeft meegewerkt aan een groot aantal EU-projecten, zowel rond basisfysica als industriële ontwikkelingsprojecten, waarvan hij ook een aantal coördineerde. Hij is lid van verschillende conferentie-raden, en is de Belgische vertegenwoordiger van het Quantum Community Network (QCN) van het Quantum Flagship. Prof. Nesladek publiceerde meer dan 300 wetenschappelijke papers en droeg bij tot verschillende boeken. Hij is geassocieerd editor van Diamond Related Materials.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies