Tin-vacaturecentrum: een lichtgevend defect in diamant voor de quantumtechnologie
Een tin-vacaturecentrum, in de wetenschappelijke literatuur meestal aangeduid als SnV-centrum (Sn staat voor tin, V voor vacancy oftewel "vacature"), is een piepklein natuurkundig defect in een diamantkristal. Op de plek waar normaal gesproken twee koolstofatomen naast elkaar zouden zitten, ontbreekt er één en zit er in plaats daarvan een tinatoom, met aan de andere kant een lege plek in het rooster. Deze afwijking gedraagt zich als een soort kunstmatig atoom dat licht van een heel specifieke kleur kan uitzenden en vasthouden, en dat maakt het bruikbaar als bouwsteen voor quantumtechnologie.
Vergelijk het met een piepklein antenne-lampje dat is ingebakken in een verder vlekkeloos stuk glas. Normaal diamant is volledig doorzichtig en heeft geen bijzondere optische eigenschappen, maar door op een precieze plek een "foutje" in te bouwen, ontstaat er een punt dat licht van een vaste golflengte kan uitzenden, en waarvan de inwendige toestand (de spin, een quantummechanische eigenschap die je kunt zien als een heel klein kompasnaaldje) kan worden gelezen en beïnvloed. Dat maakt het geschikt als een soort ministatig geheugen dat met licht kan communiceren, precies wat je nodig hebt om quantuminformatie over afstand door te geven.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat een tin-vacaturecentrum is, helpt het om eerst te weten wat een kleurcentrum (color center) in het algemeen is. Een kristal zoals diamant bestaat uit koolstofatomen die in een streng regelmatig rooster zijn gerangschikt. Als je op een specifieke plek een ander atoom inbrengt, of een atoom weglaat zodat er een lege plek (vacature) ontstaat, verstoor je die regelmaat lokaal. Zo'n verstoring kan elektronen vasthouden die op een heel specifieke, voorspelbare manier licht absorberen en uitzenden, net als een atoom dat vrij in de ruimte zweeft. Zulke defecten heten daarom kleurcentra.
Bij een tin-vacaturecentrum wordt een tinatoom precies tussen twee ontbrekende koolstofatomen geplaatst. Dat gebeurt meestal met ionimplantatie: een techniek waarbij tin-ionen (elektrisch geladen tinatomen) met hoge snelheid het diamantkristal worden ingeschoten, waarna het materiaal wordt verhit (annealing) zodat het rooster zich rond het tinatoom herstelt tot een stabiele structuur.
Tin-vacaturecentra behoren tot een familie die groep-IV-kleurcentra wordt genoemd, vernoemd naar de plek van tin, silicium en germanium in het periodiek systeem. De bekendere neef van dit centrum is het NV-centrum (nitrogen-vacancy, met stikstof in plaats van tin), dat al sinds de jaren negentig wordt onderzocht. Het belangrijke verschil is de symmetrie: bij groep-IV-centra zoals SnV zit het vreemde atoom precies in het midden tussen de twee vacatures, waardoor de structuur inversiesymmetrisch is (hij ziet er vanuit beide kanten hetzelfde uit). Bij een NV-centrum ontbreekt die symmetrie. Dat verschil is belangrijk omdat een symmetrische structuur veel minder last heeft van elektrische ruis in het kristal, wat leidt tot stabieler, voorspelbaarder uitgezonden licht.
Een tin-vacaturecentrum zendt licht uit met een karakteristieke golflengte van ongeveer 619 nanometer (een dieproze/rode kleur), de zogeheten zero-phonon line: het deel van het uitgezonden licht dat rechtstreeks uit de energieovergang komt, zonder dat er energie verloren gaat aan trillingen (fononen) in het kristalrooster. Hoe scherper en stabieler die lijn, hoe beter de fotonen (lichtdeeltjes) geschikt zijn om quantuminformatie te dragen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van dit onderzoeksveld is het bouwen van bruikbare quantumnetwerken: verbindingen waarmee quantuminformatie, in de vorm van qubits (de quantumversie van een bit, die niet alleen 0 of 1 maar ook een mengvorm daarvan kan zijn), betrouwbaar tussen locaties kan worden uitgewisseld. Zulke netwerken zouden onder meer afluisterveilige communicatie mogelijk kunnen maken en quantumcomputers op afstand met elkaar kunnen verbinden.
Een tin-vacaturecentrum kan daarbij dienen als spin-photon interface: de spin van het centrum slaat quantuminformatie lokaal op, terwijl het uitgezonden foton diezelfde informatie over een glasvezelkabel kan vervoeren. Omdat fotonen onderweg makkelijk verloren gaan, wil men op tussenstations quantumrepeaters plaatsen, korte quantumgeheugens die het signaal als het ware kunnen "verversen" zonder de fragiele quantumtoestand te vernietigen. Groep-IV-centra zoals SnV worden gezien als veelbelovende kandidaten voor zulke geheugens, juist vanwege hun stabiele, voorspelbare lichtuitstoot.
Daarnaast is er interesse in tin-vacaturecentra als betrouwbare bronnen van losse, identieke fotonen (single-photon sources), een essentieel ingrediënt voor sommige vormen van quantumcryptografie en fotonische quantumcomputers.
Voorbeelden uit de praktijk
Rond 2017 rapporteerden onderzoeksgroepen in Japan en Italië onafhankelijk van elkaar de eerste experimentele waarnemingen van tin-vacaturecentra in diamant, na eerdere theoretische voorspellingen dat groep-IV-centra met zwaardere atomen gunstige eigenschappen zouden kunnen hebben. Dit vroege werk toonde vooral aan dat het defect daadwerkelijk kon worden gemaakt en dat het licht uitzond op de voorspelde golflengte.
Een belangrijke vervolgstap kwam rond 2020, toen een Amerikaanse onderzoeksgroep (verbonden aan Harvard en MIT) liet zien dat de spin van een tin-vacaturecentrum coherent kon worden gecontroleerd, oftewel dat de quantumtoestand lang genoeg stabiel bleef om er nuttig mee te kunnen rekenen, en dat de uitgezonden fotonen "transform-limited" waren: hun eigenschappen kwamen zo dicht mogelijk bij het theoretisch ideaal, wat gunstig is voor toepassingen in quantumnetwerken. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters, een gezaghebbend natuurkundig tijdschrift.
Onderzoekers aan Saarland University in Duitsland hebben in dezelfde periode uitgebreid spectroscopisch onderzoek gedaan naar de optische eigenschappen van SnV-centra, terwijl een groep aan Stanford University zich richtte op het inbouwen van deze centra in fotonische chips, kleine geïntegreerde circuits die licht sturen in plaats van elektronen, om de interactie tussen licht en het centrum te versterken.
Bij dit soort populairwetenschappelijke samenvattingen is voorzichtigheid op zijn plaats: exacte publicatiedata, auteurslijsten en experimentele details verschillen soms tussen bronnen en worden voortdurend bijgewerkt door nieuw onderzoek. Voor precieze details verwijzen we naar de wetenschappelijke bronnen onderaan dit artikel.
Hoe ver is de techniek?
Tin-vacaturecentra bevinden zich nog stevig in de fundamentele onderzoeksfase. Er bestaat geen commercieel product dat op dit moment op SnV-centra draait; het gaat om laboratoriumexperimenten die de basisprincipes van quantumnetwerken moeten aantonen en verfijnen.
Een van de aantrekkelijke eigenschappen van SnV is dat het, vergeleken met het oudere NV-centrum, kan werken bij een relatief hogere temperatuur. NV-centra hebben vaak extreem lage temperaturen nodig, in de orde van millikelvin (duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt), bereikt met zogeheten verdunningskoelkasten (dilution refrigerators), om hun spin lang genoeg stabiel te houden. Tin-vacaturecentra hebben, dankzij een grotere energiesplitsing tussen bepaalde interne toestanden (spin-orbit splitting, een quantummechanisch effect waarbij de spin en de baanbeweging van een elektron elkaar beïnvloeden), minder last van verstoring door roostertrillingen, waardoor ze bij enkele kelvin kunnen functioneren, temperaturen die met gangbare cryostaten (koeltoestellen) zijn te bereiken zonder de duurdere en complexere verdunningskoelkasten.
Toch zijn er nog flinke obstakels. De hoeveelheid bruikbaar licht die uit een enkel centrum komt is beperkt, waardoor detectie en verdere signaalverwerking lastig blijven. De kwaliteit van het diamantmateriaal zelf, met zo min mogelijk andere verontreinigingen en roosterfouten, is essentieel maar moeilijk op grote schaal te garanderen. En het opschalen van losse laboratoriumdemonstraties naar praktisch bruikbare netwerken met meerdere knooppunten vergt nog jaren van technische ontwikkeling, onder meer op het gebied van fotonische integratie (het combineren van deze centra met chips en glasvezel) en efficiëntere manieren om het licht van het centrum naar een detector te leiden.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar tin-vacaturecentra is verspreid over een klein aantal gespecialiseerde universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd. In de Verenigde Staten zijn groepen aan Harvard University (onder meer de onderzoeksgroepen van Mikhail Lukin en Marko Lončar) en het Massachusetts Institute of Technology (de groep van Dirk Englund) actief, vaak in onderlinge samenwerking. Aan Stanford University werkt de groep van Jelena Vučković aan de fotonische inbedding van deze centra.
In Duitsland is Saarland University, met de onderzoeksgroep van Christoph Becher, een belangrijk centrum voor spectroscopisch onderzoek naar groep-IV-kleurcentra, vaak in samenwerking met Duitse instituten zoals Fraunhofer- en Max Planck-instellingen die expertise hebben in diamantmaterialen en ionimplantatie.
In Nederland houdt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO die zich specifiek richt op quantumtechnologie en quantuminternet, zich bezig met verwante kleurcentra in diamant, waaronder NV-centra, en volgt de ontwikkelingen rond groep-IV-centra zoals SnV op de voet vanwege hun relevantie voor quantumnetwerken. Vroeg pionierswerk aan tin-vacaturecentra kwam daarnaast van onderzoeksgroepen in Japan en Italië.