En ny studie ledd av forskare vid universiteten i Oxford, Cambridge och Manchester har gjort ett stort framsteg inom kvantmaterial genom att utveckla en metod för att precisionskonstruera enskilda kvantdefekter i diamant – ett viktigt steg mot skalbara kvanttekniker. Resultaten har publicerats i tidskriften Nature Communications.
Med hjälp av en ny tvåstegs tillverkningsmetod har forskarna för första gången visat att det är möjligt att skapa och övervaka enskilda kvantdefekter i diamant – små imperfektioner i diamantens kristallgitter som kan lagra och överföra information med hjälp av kvantfysikens exotiska regler – i realtid när de aktiveras.
Genom att noggrant placera enskilda tinatomer i syntetiska diamantkristaller och sedan använda en ultrasnabb laser för att aktivera dem, uppnådde teamet exakt kontroll över var och hur dessa kvantegenskaper uppträder. Denna precision är avgörande för att skapa praktiska, storskaliga kvantnätverk som kan hantera ultrasäker kommunikation och distribuerad kvantberäkning för att lösa problem som idag är olösbara.
Studieförfattaren professor Jason Smith, Institutionen för materialvetenskap (University of Oxford), säger: ”Detta genombrott ger oss en oöverträffad kontroll över enskilda tenn-vakansfärgcentra i diamant, vilket är en viktig milstolpe för skalbara kvantkomponenter. Det som fascinerar mig mest är att vi kan se i realtid hur kvantdefekterna bildas.”
Mer specifikt fungerar defekterna i diamanten som gränssnitt mellan spinn och fotoner, vilket innebär att de kan koppla samman kvantbitar av information (lagrad i elektronens spinn) med ljuspartiklar. Tinn-vakansdefekterna tillhör en familj som kallas grupp IV-färgcentra – en klass av defekter i diamant som skapas av atomer som kisel, germanium eller tenn.
Grupp IV-centra har länge uppskattats för sin höga symmetri, som ger dem stabila optiska och spinnegenskaper, vilket gör dem idealiska för kvantnätverksapplikationer. Det är allmänt känt att tenn-vakanscentra har den bästa kombinationen av dessa egenskaper – men hittills har det varit en stor utmaning att på ett tillförlitligt sätt placera och aktivera enskilda defekter.
Professor Richard Curry och Dr Mason Adshead med verktyget Platform for Nanoscale Advanced Materials Engineering som används för att placera enskilda tinatomer i diamant. Källa: University of Manchester. Källa: University of Manchester.
Forskarna använde en fokuserad jonstråleplattform – i princip ett verktyg som fungerar som en sprayburk i atomskala och riktar enskilda tennjoner till exakta positioner i diamanten. Detta gjorde det möjligt för dem att implantera tennatomerna med nanometerprecision – mycket finare än bredden på ett människohår.
För att omvandla de implanterade tennatomerna till tenn-vakansfärgcentra använde teamet sedan ultrasnabba laserpulser i en process som kallas laserglödgning. Denna process exciterar försiktigt små områden av diamanten utan att skada den. Det som gjorde denna metod unik var tillägget av spektral återkoppling i realtid – övervakning av ljuset som kommer från defekterna under laserprocessen. Detta gjorde det möjligt för forskarna att i realtid se när en kvantdefekt blev aktiv och justera lasern därefter, vilket gav en oöverträffad kontroll över skapandet av dessa känsliga kvantsystem.
Studieförfattaren Dr Andreas Thurn (University of Cambridge) säger: ”Det som är särskilt anmärkningsvärt med denna metod är att den möjliggör kontroll och återkoppling på plats under defektbildningsprocessen. Det innebär att vi kan aktivera kvantemittrar effektivt och med hög rumslig precision – ett viktigt verktyg för skapandet av storskaliga kvantnätverk. Ännu bättre är att denna metod inte är begränsad till diamant, utan är en mångsidig plattform som kan anpassas till andra material med bred bandgap.”
Dessutom observerade och manipulerade forskarna en tidigare svårfångad defektkomplex, kallad ”Typ II Sn”, vilket gav en djupare förståelse för defektdynamik och bildningsvägar i diamant.
Studieförfattaren professor Richard Curry (University of Manchester) säger: ”Detta arbete öppnar möjligheten att skapa kvantobjekt på begäran med hjälp av metoder som är reproducerbara och kan skalas upp. Detta är ett viktigt steg för att kunna leverera kvantkomponenter och göra det möjligt att använda denna teknik i kommersiella tillämpningar i verkligheten.”
Mer information: Xingrui Cheng et al, Laseraktivering av enskilda färgcentra i grupp IV i diamant, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60373-5
