Elmas parlak, güzel bir mücevherden çok daha fazlasıdır – estetik çekiciliğinin çok ötesine uzanan birçok çekici özelliğe sahiptir. Bu özel karbon formunun şimdilerde nasıl birçok pratik kuantum uygulamasında kullanıldığına gelin hep birlikte bir göz atalım!
Elmasların çoğu kişi tarafından bilinen yönü pahalı bir mücevher olmasıdır. Fakat bu malzemenin endüstrideki büyük etkisi esasında tahmin edildiğinden fazladır. Örneğin, en yeni akıllı telefonlarda, otomotiv bileşenlerinde ve hatta üst düzey ses sistemlerinde bir hoparlör kubbe malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Bununla birlikte, ufukta elmas kuantum teknolojilerinin daha da derin olabileceği yeni bir uygulama alanı ortaya çıkıyor.
20. yüzyılın başında, hem teorik yönden hem deneysel yönden bilim insanları evrenin çok küçük ölçeklerde nasıl çalıştığını anlamak için boğuşuyorlardı. Bunun sonuçları, günlük yaşamımızı etkileyen lazerler ve transistörler gibi yeniliklere yol açan kuantum mekaniği alanına çok hızlı bir şekilde dönüştü. Bu gelişmeleri şu an “Kuantum 1.0” teknolojileri olarak adlandırıyoruz ve kuantum mekaniğinin etkilerine dayanıyorlar, ancak şimdi 21. yüzyılda bilim insanları bir sonraki yenilik dalgasını geliştirmeye çalışıyorlar. “Kuantum 2.0” teknolojisi olarak adlandırılacak bu ikinci kuantum devriminde, kuantum durumlarını manipüle etmeye, okumaya dayanacak ve tipik olarak süper pozisyon ve dolaşıklığın kuantum etkilerinden faydalanılacak geliştirmeler yoğunlukta.
Ancak burada bir sorun öne çıkıyor: Kuantum teknolojileri geliştirmek zor çünkü, kuantum durumları oldukça kırılgan. İdeal olarak, bu durumlar diğer her şeyden ayrı tutularak, tecrit edilmeliler ancak onları faydalı hale getirmek için onlarla etkileşime geçmek gerekir. Kontrol ve etkileşim arasındaki bu denge, bilim insanlarının aşmak zorunda olduğu ince çizgidir.
Kuantum teknoloji araştırmaları; sağlık hizmetleri, otomotiv endüstrisi ve yeni malzemelerin geliştirilmesinde potansiyel etkileri olan kuantum bilişimi, kuantum simülasyonu, kuantum iletişimi ve kuantum algılamayı kapsamaktadır. Şu anda bu yeni uygulamalar için sıkışmış iyonlar, süper iletkenler, kuantum noktaları, fotonlar ve yarı iletkenlerdeki kusurlara yönelik farklı teknolojik çözümler araştırılmaktadır. Her teknik çözümün farklı artıları ve eksileri vardır. Örneğin: Sıkışmış iyonlar harika kuantum özelliklere sahiptir, ancak entegre edilmesi zordur, diğer yandan süper iletkenlerin devreleri imal edilebilir, ancak sadece kriyojenik sıcaklıklarda çalışabilir. Elmas gibi malzemelerin katı hal olarak, cihazlara entegre edilmesini kolaylaştırarak ve oda sıcaklığında çalışarak bir uzlaşma sundukları sırada devreye girdiği yer burasıdır.
Kuantum Elmas
Elmas üzerine yapılan birçok araştırma, karbon kafes içinde bulunabilen yüzlerce farklı kusuru tespit etmeye odaklanmıştır. Bu kusurlardan biri, negatif yüklü azot boşluğu (NV olarak gösterilir) arızasıdır. 1997’de Jörg Wrachtrup ve Almanya’daki Chemnitz Teknoloji Üniversitesi’ndeki meslektaşları, tek bir NV arızasının manipüle edilebildiğini ve oda sıcaklığında optik bir çıktı sağlayabildiğini göstermiştir.* Bu keşif elmas kuantum teknolojisi alanına adeta fitili çakmıştır.**
İşlem optik olarak algılanan manyetik rezonans (ODMR) olarak adlandırılır ve NV arızası ile, uygulanan bir mikrodalga alanını tararken tek bir NV arızasında veya bir toplulukta yeşil ışık parladıktan sonra floresandaki bir değişikliği ölçerken gözlenir. Alan ms = 0’dan ms = ± 1’e geçişe neden olan spin kuantum sayıları (ms) ile rezonansa çarptığında, flüoresansta bir azalma gözlenir. Böylece floresanın yoğunluğunu ölçerek, kusurun durumunu okuyabilirsiniz.
NV Hatası
Karbon atomlarını tekrarlayan mükemmel bir elmas kafes düşünün. Bitişikteki iki atomu çıkarın, ardından nitrojen (şekil parlak mavi) ile değiştirin, diğeri ise “boş” veya boşluk (soluk mavi) olarak kalır. Bu, elmasın nötr azot boşluğu kusurudur ve dört farklı kristalografik yönelime sahip olabilir. Kafesin yakınında, daha yüksek enerjili bir elektrona (genellikle boşluğu olmayan bir ikame azotuna) sahip başka bir kusur varsa, bu elektron, negatif bir yük vermek için azot boşluğuna aktarılır. Negatif yüklü azot boşluğu (NV) kusuru ile ilişkili elektronlar, boşluklarının etrafındaki sarkan bağları işgal eder, böylece enerji seviyeleri, sıkışmış bir iyondakine benzer şekilde davranır. Bu NV kusurlarının özel bir enerji seviyeleri kombinasyonu vardır, öyle ki bir elektronun zemin durumu dönüşü başlarsa, kristal yeşil ışıkla aydınlatıldığında, enerji seviyeleri arasında geçiş yapar ve spin durumuna girme olasılığı daha yüksektir ms = 0. Elektronları bu döngü etrafında yeterince kez döndürün ve dönüşler etkili bir şekilde hizalanacaktır. Bu ms = 0 zemin durumuna geldiğinde, NV hatası, mikrodalgalar ve daha fazla ışık atımı uygulanarak kuantum deneyi yapmak için manipüle edilebilir. Okuma işlemi, aynı fenomene dayanarak, kusur tarafından yayılan ışık miktarının, ölçüldüğünde yer durumu dönüşüne bağlı olarak “parlak” veya “karanlık” olduğu gerçeğinden faydalanır.
Elmastan Kübitler
Dünyanın dört bir yanındaki birkaç akademik grup, kuantum bilgisayarlar için oluşturulan kuantum biti veya kübiti elmas olarak kullanmayı umarak bu çalışmayı temel aldılar. Bu çalışma, “Sihirli Rus Pırlantası” olarak adlandırılan tek, benzersiz bir doğal elmas kullanılarak yapıldı. Bu arada, birçok şirket mikrodalga destekli kimyasal buhar birikimi kullanarak endüstriyel uygulamalar için yüksek saflıkta sentetik tek kristal elmas üretmek için yeni teknikler geliştirmeye başladı. Örneğin 2000’lerin başlarında, Element Six şirketindeki personel, milyar karbon atomu başına beşten az safsızlık atomu ile elmas yetiştirmenin mümkün olduğunu gösterdi. Böyle bir elmasta azot baskın safsızlıktır ve izole edilmiş NV merkezleri problanabilir. Daha sonrasında, 2006’da bu malzemenin kuantum özellikleri test edildiğinde, “Sihirli Rus Pırlantası” ile karşılaştırılabilir oldukları gösterildi. Bulgu anlamlıydı, çünkü yeni sentetik elmas seri üretilebiliyordu ve bu nedenle daha birçok akademik grubun malzemeye erişmesine ve NV kusurunun nasıl kontrol edileceğini ve kullanılacağını anlamaya başlamasına sonuç verdi.
Bu noktada, akademik araştırmanın çoğu temel kuantum fiziği ve kuantum hesaplama üzerine odaklanmıştı. Bununla birlikte, 2008 yılında, şu anda Almanya’nın Stuttgart Üniversitesi’ndeki Wrachtrup grubunda ve ABD’deki Harvard Üniversitesi’ndeki Mikhail Lukin ve Ron Walsworth gruplarında yer alan çalışmalar, elmasın bir NV hatalarının optik çıkışının parlaklığının manyetik alanın gücüne bağlı olduğu manyetik sensörü tanıttı. O zamandan beri, NV hatasını kullanan birçok yeni uygulama önerildi.
Elmas Yine Gözde
Elmasın kuantum kusurlarına böyle harika bir yapı sağlamasının nedeni kristal yapısında olmasıdır. Elmas geniş bant aralıklı bir malzemedir, yani optik rejimde geçiş enerjileri ile bir dizi kusura ev sahipliği yapabilir ve elde edilen kusurların kolayca lazerlerle manipüle edilmesini sağlar. Karbon düşük bir atom kütlesine ve çok sert atomlar arası bağlara sahip olduğundan, NV merkezinin çevresindeki kafesin titreşim modları ile etkileşimini alışılmadık derecede zayıf hale getiren yüksek bir Debye sıcaklığına (bir kristalin en yüksek normal titreşim modunun sıcaklığı) sahiptir. Oda sıcaklığında bile elmas doğal olarak düşük bir nükleer spin konsantrasyonuna sahiptir.(karbon-12’nin nükleer dönüşü 0’dır ve elmasta sadece% 1.1 karbon-13 (spin-1/2) vardır). Bu, spin artık istenen durumda olmadığında kuantum durumlarının “çözülme” olasılığını azaltır. Kuantum durumları, bir dönme yörüngesinin yörünge hareketi ile etkileştiği göreceli bir etki olan spin-yörünge kuplajıyla da çözülebilir. Ancak, NV arızası zayıf dönüş yörüngesi bağlantısına sahip olduğundan, sınırlı bir ayrışma vardır ve dönüş durumu daha uzun sürer. Bu özellikler, oda sıcaklığında milisaniyelik bir spin çözülme süresi olan bir elmasın üretilmesinin mümkün olduğu anlamına gelir. Ve elmasın spin hataları için iyi bir malzeme olmasının yanı sıra, NV merkezi ayrıca elektronik enerji seviyesi yapısının, onunla ilişkili elektronik spinin sadece üzerindeki yeşil ışığı parlatarak manipüle edilebileceği anlamına gelmesi açısından özellikle özeldir. Sanırım bütün bunların anlaşılmasıyla elmasta ikinci devrimini yaşamaktadır. 🙂
Bu arzu edilen özelliklerine rağmen, elmastaki NV kusuru mükemmel değildir. İdeal bir dünyada, yayılan tüm fotonlar mekanik olarak ayırt edilemeyen kuantumlar için 637 nm’de olacaktır. Bununla birlikte, yayılan fotonların çoğu fonon etkileşimleri nedeniyle 637 nm’den 800 nm’ye kadar farklı dalga boylarındadır, bu da bazı uygulamalar için bir zorluk oluşturur. Diğer zorluklar, elmasın silikon gibi malzemeler kadar kolay işlenmemesi – kusurlardan optik koleksiyonun iyileştirilmesi için elmas yapıların aşındırılması çok daha zordur ve yüksek saflıkta tek kristalli elmas sadece 10 mm2’ye kadar yapılabilmiştir. Elmas ve NV kusurunun bu sınırlamaları, elmasta ve silikon karbür (SiC) ve çinko oksit (ZnO) gibi diğer geniş bant boşluklu materyallerde alternatif kusurlar arayan bilim insanlarına yol açmıştır. Bununla birlikte, elmas ve diğer malzemelerdeki birkaç kusurun yararlı özelliklere sahip olduğu tespit edilirken, hiç kimse elmasın NV merkezlerine rakip olan başka bir malzeme bulamamıştır.
Elmas Aygıtlar
Elmas tabanlı bir kuantum cihazının avantajlarından biri basitliğidir. Temel bir cihaz yeşil ışık kaynağı, elmas, küçük mikrodalga kaynağı ve foto detektörden imal edilebilir. Bunun nedeni, etkili optik başlatma ve NV spinlerinin okuma işleminin özel dar çizgi genişliğinde lazerler gerektirmemesidir – basit bir yeşil LED bile kullanılabilir. Ayrıca, tespit edilen ışığın dalga boyu nedeniyle (637-800 nm), düşük maliyetli, hazır silikon foto detektörler kullanılabilir. Bir ofset mıknatıs, NV kusurunun dört farklı olası kristalografik yöneliminin enerji seviyelerini ayırarak, bağımsız olarak incelemelerine izin veren birkaç militrelik bir alan sağlamak için kullanılır. Son olarak, kullanılan mikrodalga frekansları kabaca 2880 MHz’dir. Tüm bu bileşenler raflardan birkaç bin pound karşılığında satın alınabilir ve bu tür bir oda sıcaklığında çalışan kuantum cihazı oluşturmak için kolayca kullanılabilir ve fizik derecesi uygundur.*** Bununla birlikte, bu kurulum çalışma prensiplerini gösterirken, bir kuantum cihazından bekleyebileceğiniz performans artışlarını açıkça göstermez.
Belirli bir uygulamadaki performansı en üst düzeye çıkarmak için kapsamlı mühendislik gereklidir. Örneğin, NV kusurlarının topluluğuna ihtiyacınız varsa, elmastaki NV hatalarının konsantrasyonu ile sıkma tutarlılık süresi arasında performansta bir denge vardır. NV kusurları birbirine çok yakınsa, negatif NV şarj durumunu oluşturmak için elektronu bağışlayan azotla etkileşimler, spin-tutarlılık süresini azaltır. Bununla birlikte, çok uzaklarsa, her bir arızayı aynı düzgün aydınlatma, manyetik alan ve mikrodalga alanı ile sağlamak ve dedektördeki NV kusurlarından çok fazla ışık toplamak daha zordur.
Elmas tabanlı kuantum sistemleri üzerinde akademik çalışma için orijinal motivasyonlar temel fiziği araştırmak ve kuantum bilgisayarında elmas kullanmayı düşünmektir. Bu, tüm kuantum kuantum uygulamalarında en zorlu olanıdır çünkü kusurların en sıkı performansını gerektirir. Spesifik olarak, her kusurun tam olarak aynı şekilde davranması ve tam olarak aynı dalga boyunda ışık yayması gerekir. Ne yazık ki, elmasın kristal yapısındaki çıkıklar gibi kusurlar, ışığın emisyon dalga boyunu iki NV arızasını ayırt edilebilir hale getirecek kadar kaydırır. Bu, emisyon dalga boyu aynı olacak şekilde “Stark ayarlı” bir kusurun yakınında bir elektrik alanı uygulanarak karşılanabilir – ancak, NV’yi çevreleyen yerel şarj konfigürasyonundaki değişiklikler, dalga boyu kaydırmasına neden olan bir ölçüm sırasında yine de değişebilir. Bu potansiyel engellere rağmen, 2015’te ilk başarılı “boşluksuz Bell’in eşitsizlik testi” (Nature 526 682) ve herhangi bir kriyojen kullanılmadan en uzun spin ömrü dahil olmak üzere elmasla çeşitli atılım sonuçları elde edildi. Bu başarılara dayanarak, son zamanlarda 75 saniyeye kadar kuantum bilgilerini saklayabilen 10-kubit bir kayıt gösterildi (Phys Rev. X 9 031045).
Mevcut bir projenin bir parçası olarak, Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’ndeki Ronald Hanson’un grubu, elmastaki NV kusurunu %100 güvenli bir kuantum internetinde “kuantum tekrarlayıcı düğümü” olarak kullanıyor. Böyle bir ağda, düğümler kuantum bilgisinin büyük mesafelerde iletilebilmesi için kaynaktan alıcıya bir zincir oluşturmak üzere mekanik olarak dolanır. Böyle bir gösteri zorlayıcı bir hedeftir, ancak kuantum durumların kırılganlığını kullanan birçok yakın dönemli uygulama da vardır.
Ortaya çıkan bir başka uygulama elmas tabanlı maserdir. 1950’lerde icat edilen maserler, lazerler kadar yaygın değildir ancak yine de çok değerli uygulamaları vardır. Maserler, yüksek kazançları ve çok düşük gürültüleri nedeniyle radyo astronomi ve derin uzay iletişiminde kullanılır. Kısa zaman aralıklarında bu kadar kararlı olduklarından, küresel konumlandırma sistemleri için gereken yüksek hassasiyetli zamanlamayı sağlayan osilatörler olarak da kullanılırlar.
Bununla birlikte, mevcut maser sistemleri hantal ve karmaşık olabilir ve ayrıca nereye yerleştirilebileceklerini sınırlayan kriyojenikler gerektirebilir. 2018’deki bir atılım (Nature 555 493), elmastaki NV hatasını kullanarak dünyanın ilk sürekli dalga (CW) oda sıcaklığı katı hal mastarını gösterdi. Bu masör, manyetometride kullanılanla aynı enerji seviyelerini kullanarak çalışır, ancak Zeeman etkisi ile ms = –1 enerji seviyesini ms = 0 enerji seviyesinin altına iten 0,1 T’den daha büyük bir manyetik alan uygulanır. Belirli bir manyetik alan kuvvetini seçerek, seviyeler arasındaki enerji boşluğunu ayarlar ve böylece maserin çalışma frekansını seçersiniz. Daha sonra elmasın yeşil bir lazerle pompalanması, elektronları ms = 0 enerji seviyesine getirir ve böylece popülasyonun tersine çevrilmesine neden olur.
Maser çalışması için elmasın yüksek Q boşluğunda olması, uygulanan manyetik alanın sabit ve homojen olması ve elmasın sıcaklık dalgalanmalarının en aza indirilmesini gerektirir. Bu mühendislik zorlukları çözülebilirse, kompakt elmas ustaları sadece mevcut maser uygulamalarına değil, aynı zamanda mevcut maser teknolojisinin sınırlamaları nedeniyle henüz dikkate alınmamış yeni fırsatlara da yol açabilir.
Elmaslar ile Tespit
Daha önce de belirtildiği gibi, 2008’de NV’de elmastaki bir kusurun manyetik bir sensör olarak kullanılması kavramı ilk olarak 2009’da pratik gösterilerle birlikte önerildi. Bir elmas manyetik sensörde, toplanan ışıltı belirli bir dalga boyunda olmak zorunda değildir ve bu nedenle fonon yan bantlarında 637 nm ila 800 nm arasındaki emisyon sinyal olarak toplanabilir. Pırlanta manyetik alan sensörü prensip olarak diğer sensör teknolojilerine göre birçok avantaja sahiptir. Örneğin, NV kusurunun ekseni boyunca hassas olması nedeniyle gerçek bir vektör sensörüdür, yani dört farklı NV yönünün bir vektör alanını yeniden yapılandırmak için kullanılabileceği anlamına gelir. Ayrıca, çeşitli büyüklük derecelerinde manyetik alanlara duyarlı olan büyük bir bant genişliğine sahiptir ve – buhar hücreleri gibi diğer teknolojilerin aksine – özel manyetik koruma gerektirmez.
Pırlanta manyetik alan sensörü prensip olarak diğer sensör teknolojilerine göre birçok avantaja sahiptir.
Algılamada kaç hatanın kullanıldığına bağlı olarak NV manyetik sensörün farklı yöntemleri de vardır. NV kusurlarının özellikleri nedeniyle, tek teklerden güçlü elektronik dipol lüminesansı kolayca ölçülebilir ve manyetik alanların nanometre ölçeğinde ölçülmesini sağlar. Manyetik rezonans kuvveti mikroskopisi gibi rakip teknolojiler de bunu yapabilir, ancak kendiliğinden manyetik oldukları için ölçmeye çalıştıkları sistemi bozarlar. Bu nedenle birçok grup, skyrmion içeren manyetik malzemelerin araştırılması gibi malzeme karakterizasyonu için NV tabanlı araçlar kullanmaktadır. İsviçre merkezli Qnami gibi start-up’lar, NV hataları içeren hazır elmas probları satarak bu gelişmelerden faydalanmaya çalışıyor.
NV hata topluluklarını kullanmak cihazı daha hassas hale getirebilir, ancak uzamsal çözünürlüğünü düşürebilir. Bir uzlaşma olarak, yüksek saflıkta bir pırlantanın üstünde birkaç mikron yüksek NV kusuru içeren elmas, NV içeren tabakanın kalınlığının uzamsal çözünürlüğü belirlediği manyetik alanları görüntülemek için kullanılabilir. Bu teknik, daha sonra güneş sistemi oluşturulduğunda manyetik alanı oluşturmak için kullanılabilen bir meteoritin manyetik imzasını ölçmek için kullanılmıştır. NV kusurları içeren toplu bir elmas örneği yapmak için elmasa daha fazla NV hatası eklemek, hassasiyetleri picotesla rejimine itebilir.
ABD merkezli bir havacılık şirketi olan Lockheed Martin’deki bir ekip, bir manyetometre kullanarak, harici sinyallere dayanmayan alternatif bir GPS olarak kullanılabilen bir elmas manyetometre geliştirmektedir. Teknoloji, Dünya’nın manyetik alanının gücünü ve yönünü algılamak için bir elmas manyetometrenin vektör yeteneğini kullanarak çalışır. Dünya’nın alanının yüzeyde bulunduğunuz yere bağlı olarak değiştiği göz önüne alındığında, bu gerçek, sıkışabilecek harici bir kaynağa güvenmeden kendinizi konumlandırmak için kullanılabilir. Erken prototip sistemleri bile bunu göstermiştir ve uydu tabanlı GPS kadar doğru olmasa da, olasılıkla mevcut teknolojinin yanında tedarik için çalışacaklardır.
Sensör, radyo frekansı (RF) alanlarını tespit etmek için ters yönde de kullanılabilir. Bu konfigürasyonda, NV içeren elmasın üzerine kontrollü bir şekilde bir manyetik alan gradyanı yerleştirilir, bu daha sonra enerji seviyelerinde bilinen bir Zeeman kayması sağlar. Bilinmeyen frekansta bir mikrodalga sinyali uygulandığında, o frekansa karşılık gelen konumda manyetik bir rezonans görünür. Bu yaklaşımın en büyük avantajı, tek bir ölçümde ve yüksek çözünürlükte tüm frekans spektrumunda (onlarca gigahertz’den fazla) ölçüm yapabilmenizdir. Bu teknoloji, komşu hücre kuleleri arasındaki paraziti önlemek için 5G şebekelerinde kullanılabilir.
Elmas bazlı kuantum teknolojisinin tıp endüstrisinde de uygulamaları vardır. Dünya çapında birkaç grup ve Almanya merkezli başlangıç NVision’ı, manyetik rezonans görüntülemeyi (MRI) geliştirmek için elmas kullanıyor – bunu anatomik bir pozitron emisyon tomografisine (PET) benzer bir moleküler görüntüleme yöntemine dönüştürüyor. Teknolojinin ilkesi, elektronik dönüşü NV hatalarından bir hedef molekülün nükleer dönüşüne aktarmaktır. NV kusurları hedef moleküller ile yakın temasa sokulur ve daha sonra yeşil ışıkla aydınlatılır ve bir mikrodalga kaynağı da uygulanır. Daha sonra, bir dizi mikrodalga darbesi kullanılarak, spin elmastan hedef moleküllerin nükleer spinine aktarılabilir. Nükleer spin, moleküllerin hastaya ve hastaya MRI’da ölçülmesine izin verecek kadar uzun sürer, şimdi MRI’da yüksek kontrast sağlayan yüksek derecede bir spin polarizasyonu vardır.
Elmasın Kuantum Geleceği
Elmas, kuantum malzemelerinde önemli bir oyuncudur. Haliyle üzerine iyi çalışılmaktadır. Dünya çapında 200’den fazla akademik grup tarafından, kuantum özelliklerinin uygulamaları üzerinde çalışılmaktadır. Lockheed Martin, Bosch ve Thales gibi büyük firmaların yanı sıra Quantum Diamond Technologies, NVision ve Qnami gibi birçok yeni şirket de dahil olmak üzere elmas kuantum teknolojisi geliştiren bir sürü şirket var. Malzeme tüm bu teknolojinin kalbidir, ancak optimize edilmiş cihazlar yapmak için çok zaman harcayan mühendislik gereklidir.
Dolayısıyla, elmas kuantum teknolojilerinin ne kadar büyük bir fırsat sağlayabileceğini bilmesek de, bir şey açıktır: kesinlikle uzun bir süre daha geliştirilmeye devam edecekler.
Dipnotlar
*NV arızasının manipüle edilebilmesi ile ilgili (Science 276 2012) göz atabilirsiniz.
** Daha ayrıntılı bir tarih için bkz: Nature 505 472
***Bkz: American Journal of Physics 86 225
Kaynakça
- Optimisation of diamond quantum processors -https://arxiv.org/abs/2002.00545
- https://physics.anu.edu.au/laser/spectroscopy/diamonds/
- E6’den Matthew Markham ve Daniel Twitchen
