Silicium-vacaturecentrum (SiV-centrum)

Een silicium-vacaturecentrum heeft niets te maken met een baan die openstaat. Het woord "vacature" betekent hier iets heel anders: een lege plek in een kristalrooster. Stel je een diamant voor als een extreem regelmatig, driedimensionaal rooster van koolstofatomen, allemaal stevig aan elkaar vastgeklikt, zoals kogeltjes in een perfect gestapelde piramide. Ontbreekt er ergens één kogeltje, dan spreken natuurkundigen van een "vacature": een gaatje in het rooster. Schuift er precies op die plek, tussen twee van zulke gaatjes in, een siliciumatoom, dan ontstaat een "silicium-vacaturecentrum" (in het Engels: silicon-vacancy center, afgekort SiV-centrum).

Dat kleine defect is verre van een fout die je wilt herstellen: het is juist heel bruikbaar. Een SiV-centrum kan namelijk één lichtdeeltje (foton) tegelijk uitzenden, met een heel precieze, herhaalbare kleur, en het kan tegelijk een klein beetje kwantuminformatie vasthouden. Vergelijk het met een piepklein, extreem betrouwbaar zaklampje dat ook nog onthoudt in welke stand het stond voordat het knipperde. Die combinatie – licht én geheugen in één en hetzelfde atoomdefect – maakt het silicium-vacaturecentrum een veelbelovende bouwsteen voor toekomstige kwantumtechnologie, zoals een afluisterveilig "kwantuminternet".

Wat is het precies?

Diamant bestaat vrijwel uitsluitend uit koolstofatomen die elk met vier buuratomen zijn verbonden, in een stijve, symmetrische structuur. Die zuiverheid en stijfheid maken diamant een uitstekend "huis" voor gevoelige kwantumdefecten: trillingen en verontreinigingen die de kwantumtoestand zouden verstoren, worden er goed onderdrukt.

Om een SiV-centrum te maken, brengen onderzoekers een siliciumatoom in het diamantrooster, bijvoorbeeld door het tijdens de groei van de diamant toe te voegen of door siliciumionen achteraf met een deeltjesversneller in het kristal te schieten. Het siliciumatoom gaat daarbij niet gewoon op de plek van een koolstofatoom zitten, maar neemt een bijzondere positie in: het nestelt zich precies tussen twee ontbrekende koolstofatomen in, de zogeheten "split-vacancy"-configuratie.

Die symmetrische positionering is cruciaal. Doordat het siliciumatoom exact in het midden zit, is het defect ongevoelig voor kleine, willekeurige veranderingen in het elektrisch veld van zijn omgeving – iets waar vergelijkbare defecten, zoals het bekendere stikstof-vacaturecentrum (NV-centrum), wel last van hebben. Het resultaat is dat een SiV-centrum steeds vrijwel identieke fotonen uitzendt, met een golflengte van ongeveer 737 tot 738 nanometer, in het diepe rood/nabij-infrarood. Die reproduceerbaarheid is essentieel: voor veel kwantumtoepassingen moeten fotonen van verschillende bronnen ononderscheidbaar van elkaar zijn.

De keerzijde is dat het inwendige "spin"-geheugen van een SiV-centrum – de eigenschap die informatie vasthoudt – gevoelig is voor warmte. Bij kamertemperatuur valt die informatie al na een fractie van een seconde weg. Pas bij extreem lage temperaturen, doorgaans slechts enkele tienden tot honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt (bereikt met zogeheten verdunningskoelkasten), wordt de geheugentijd lang genoeg om nuttig te zijn. Dat maakt de experimenten technisch veeleisend en kostbaar.

Onderzoekers experimenteren daarom ook met "zwaardere neven" van het SiV-centrum: germanium-, tin- en loodvacaturecentra (GeV, SnV, PbV), waarbij een zwaarder atoom dezelfde split-vacancy-positie inneemt. Hoe zwaarder het atoom, hoe minder gevoelig het defect in theorie is voor temperatuur, wat de technische eisen iets zou kunnen verlichten – al blijven ook deze varianten voorlopig laboratoriumtechnologie.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is het bouwen van een "kwantumrepeater": een soort tussenstation dat kwantuminformatie over lange afstanden door glasvezelkabels kan sturen. Bij gewoon internetverkeer versterken repeaters simpelweg het signaal. Bij kwantuminformatie kan dat niet zomaar: een kwantumtoestand kopiëren of versterken zonder hem te verstoren is fundamenteel onmogelijk (het zogeheten no-cloning-theorema). Een kwantumrepeater moet daarom kwantuminformatie tijdelijk kunnen vasthouden en op het juiste moment doorgeven aan een foton – precies wat een SiV-centrum in theorie kan.

Zo'n kwantumnetwerk zou in de toekomst afluisterveilige communicatie mogelijk moeten maken (kwantumsleuteldistributie), en op langere termijn ook kleine kwantumcomputers met elkaar kunnen verbinden tot één groter, krachtiger systeem. Daarnaast wordt er onderzoek gedaan naar het gebruik van dit soort defecten als extreem gevoelige sensoren, bijvoorbeeld voor magnetische velden of temperatuur op nanoschaal, al ligt de nadruk bij SiV-centra vooral op de netwerktoepassing.

Voorbeelden uit de praktijk

Aan de Harvard-universiteit heeft de groep van natuurkundige Mikhail Lukin, samen met de nanofotonica-groep van Marko Lončar, SiV-centra ingebouwd in piepkleine, op maat gemaakte diamant-optische holtes (nanofotonische caviteiten) op een chip. Daarmee bouwden zij compacte "kwantumknooppunten" die licht en materie efficient met elkaar laten communiceren. In een veelbesproken experiment, uitgevoerd in de tweede helft van de jaren 2010 en gepubliceerd in Nature, verstrengelden zij twee van zulke knooppunten met elkaar via een glasvezelverbinding – een essentiële stap richting een werkende kwantumrepeater.

Aan de Universiteit van Saarland in Duitsland onderzoekt de groep van Christoph Becher al langer de optische en spin-eigenschappen van SiV-centra, zowel in bulkdiamant als in nanostructuren, en droeg mede bij aan het in kaart brengen van de coherentie-eigenschappen van het defect.

In Stuttgart (groep Jörg Wrachtrup) en Ulm (groep Fedor Jelezko) wordt breder onderzoek gedaan naar kleurcentra in diamant, met SiV als een van de bestudeerde defecten naast het langer bekende NV-centrum, onder meer gericht op controle van individuele spins en koppeling met licht.

Op materiaalgebied levert het Britse bedrijf Element Six – een dochterbedrijf van De Beers, gespecialiseerd in synthetische diamant – al jaren de ultrazuivere diamantsubstraten die nodig zijn om dit soort experimenten met voldoende kwaliteit uit te voeren.

Daarnaast financiert het Europese Quantum Flagship-programma verschillende samenwerkingsprojecten tussen universiteiten die aan diamant-gebaseerde kwantumfotonica werken, als onderdeel van de bredere Europese inzet op kwantumtechnologie.

Hoe ver is de techniek?

Het silicium-vacaturecentrum bevindt zich nog stevig in de fundamentele onderzoeksfase. Er bestaan geen commerciële producten die op deze technologie draaien; alle resultaten komen uit universitaire laboratoria. De belangrijkste mijlpalen tot nu toe zijn het betrouwbaar controleren van de spin van een enkel SiV-centrum, het efficient koppelen ervan aan fotonische chips, en het verstrengelen van twee knooppunten over een glasvezelverbinding van beperkte lengte – tot dusver in de orde van meters tot enkele kilometers, niet continentale afstanden.

De belangrijkste obstakels zijn praktisch van aard. De benodigde extreem lage temperaturen vragen om dure, logge verdunningskoelkasten die niet buiten een laboratorium te gebruiken zijn. Het precies en herhaalbaar plaatsen van een enkel siliciumatoom op de gewenste plek in het diamantrooster blijft lastig; ionimplantatie is voor een belangrijk deel een kansproces. Ook het opschalen van twee knooppunten naar netwerken met tientallen of honderden knooppunten is nog niet gedemonstreerd en vergt naar verwachting nog jaren van technisch werk.

De voortgang is de afgelopen tien tot vijftien jaar gestaag geweest, met een merkbare versnelling sinds photonische integratietechnieken (het inbouwen van defecten in nanostructuren op een chip) volwassener werden. Een bruikbaar, grootschalig kwantuminternet op basis van dit soort technologie wordt door de meeste onderzoekers echter nog op een termijn van meerdere decennia geschat, met veel onzekerheid over welke defecttechnologie (SiV, NV, of iets anders) uiteindelijk zal domineren.

Wie werken eraan?

Toonaangevend onderzoek komt vooral uit Duitsland en de Verenigde Staten. In de VS lopen Harvard University (de groepen van Mikhail Lukin en Marko Lončar) en MIT voorop, met nauwe banden tussen kwantumoptica en nanofotonica-onderzoek. In Duitsland zijn de Universiteit van Saarland (Christoph Becher), de Universiteit van Stuttgart (Jörg Wrachtrup) en de Universiteit van Ulm (Fedor Jelezko) belangrijke centra, vaak met historische wortels in NV-centrumonderzoek die zich hebben verbreed naar SiV en verwante defecten.

In Nederland bouwt TU Delft, via het onderzoeksinstituut QuTech, voort op decennialange expertise in diamant-gebaseerde kwantumnetwerken, met name rond het NV-centrum; die kennis is direct relevant voor en overlapt gedeeltelijk met SiV-onderzoek elders.

Op materiaalgebied is het Britse Element Six een belangrijke, gespecialiseerde leverancier van synthetische diamant. Financiering en coördinatie lopen voor een groot deel via nationale programma's zoals het Amerikaanse National Quantum Initiative en het Europese Quantum Flagship-programma, dat meerdere van de genoemde universiteiten met elkaar verbindt. Specifieke commerciële bedrijven die zich uitsluitend op SiV-centra richten, zijn er vooralsnog nauwelijks; dit blijft grotendeels academisch, publiek gefinancierd onderzoek.

Verder lezen

• Nature – wetenschappelijk tijdschrift met veel van de originele onderzoekspublicaties over SiV-centra en kwantumnetwerken.
• arXiv – open-access preprintserver waar onderzoeksgroepen hun (nog niet altijd definitief gepubliceerde) resultaten delen.
• Quantum Flagship (EU) – overzicht van Europese onderzoeksprogramma's en projecten op het gebied van kwantumtechnologie, waaronder diamant-fotonica.
• Harvard Quantum Initiative – informatie over het kwantumonderzoek van onder meer de groepen van Lukin en Lončar.
• Physics (American Physical Society) – toegankelijke duiding en context bij belangrijke natuurkundige publicaties, inclusief kwantumoptica.