Snapshots of IQC
Diamonds are one of the most sought-after and versatile gemstones in the world, with purposes beyond jewelry and drill tips. In quantum research, diamonds are frequently studied because of the presence of special defects called colour centers, which can act as a quantum bit, or qubit, to store information in quantum systems.
Dr. Mohammad Soltani, a postdoctoral fellow at the Institute for Quantum Computing (IQC) is studying ways to implement patterns in diamonds for quantum applications. Recently, his experiments led to a miniscule but recognizable pattern: IQC’s logo, etched into a 2.5 mm square diamond. The smallest logo produced measured just 20 micrometers — about one fourth the width of a single human hair.
“We’re trying to find optimal conditions and design pattern for the diamond and decrease the amount of photons which get reflected internally instead of exiting the diamond to be measured,” says Soltani. “But I also wanted to do something fun with the fabrication techniques we use.”
IQC’s logo is a unique pattern which helps improve the fabrication processes for Soltani’s diamond samples. By improving these methods, he aims to create a variety of nanostructures on diamond, which could be used to control interactions between photons of light and the diamond’s colour center defects.
Unlike the diamond imperfections to watch out for when jewelry shopping, the defects attractive to the quantum research community give rise to coloured diamonds and are created by replacing just one or two carbon atoms in the diamond structure with other atoms. An important example of these are nitrogen vacancy (NV) centers, in which a carbon atom is replaced by a nitrogen atom, while a neighboring carbon atom’s space is left vacant in the diamond’s crystal structure. NV centers can interact with optical and microwave fields and can be used at room temperature or cooled to cryogenic temperatures, making them an excellent platform for applications in quantum sensing with optical detection, optical quantum memories, and quantum light sources.
Soltani’s diamond logo was fabricated in the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility (QNFCF) using techniques called electron beam lithography and reactive ion etching, and can be seen with electron microscopes. Since IQC’s researchers typically use silicon wafers in the QNFCF, Soltani needed to create a unique pocket for his small diamond samples. These pockets were etched into a larger silicon wafer that he designed and fabricated specifically for the processing of the tiny diamond samples. He then coated the sample with a material susceptible to electron beam lithography techniques, which were used to pattern the logo at the small scale, similar to a stencil. Once the logo stencil was created, it was filled in with a thin layer of metal to protect the diamond under the logo. The stencil material was then removed, leaving the IQC logo patterned into the metal layer behind. Reactive ion etching was then performed, which removed layers of diamond not protected by the metal mask. When the metal mask was removed, IQC’s logo was left patterned onto the diamond.
In addition to improving the collection of photons emitted by the NV centres, Soltani also plans to use NV centers to convert microwave photons produced by superconducting qubits to optical photons that can be sent over long distances.
Great scientific work is often collaborative, and the diamond IQC logo is no exception. Soltani is supervised by Dr. Michal Bajcsy and Dr. Chris Wilson, IQC faculty members and professors in the Department of Electrical and Computer Engineering. Supratik Sarkar, Vinodh Muthu, Dr. Behrooz Semnani and Abdolreza Pasharavesh also contributed to this work. This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the TQT program at IQC.
Le logo de l’IQC resplendit dans un diamant
Récapitulatif de l’IQC
Pierre précieuse parmi les plus recherchées et polyvalentes au monde, le diamant se prête à une multitude d’utilisations – et pas seulement dans les bijoux et les forets. Il revient souvent dans la recherche quantique lorsqu’il présente un défaut particulier, des « centres colorés », pouvant servir de bits quantiques, ou qubits, sur lesquels stocker de l’information.
Mohammad Soltani, stagiaire postdoctoral à l’Institut d’informatique quantique (IQC), étudie les façons de tracer des motifs dans le diamant pour des applications quantiques. Récemment, ses travaux lui ont permis de créer un motif minuscule mais reconnaissable : le logo de l’IQC, gravé sur un diamant de 2,5 mm2. Le plus petit logo produit mesurait à peine 20 micromètres, soit environ le quart de la largeur d’un cheveu humain.
« Nous travaillons à déterminer les conditions et les motifs optimaux ainsi qu’à réduire le nombre de photons qui sont reflétés vers l’intérieur du diamant plutôt que vers l’extérieur, où on les mesure, explique M. Soltani. Mais je voulais aussi m’amuser un peu avec les techniques de fabrication qu’on utilise. »
Le logo de l’IQC est un motif unique qui sert à améliorer les processus de fabrication des échantillons de diamant. L’objectif de Mohammad Soltani : créer diverses nanostructures sur le diamant pour contrôler les interactions entre les photons de lumière et les centres colorés de la pierre.
Contrairement aux imperfections que l’on veut éviter dans les bijoux, les défauts mis à profit dans la recherche quantique viennent colorer la pierre et se créent en remplaçant un ou deux atomes de carbone dans la structure du diamant avec d’autres atomes. Un exemple notable sont les centres azote-lacune, dans lesquels un atome de carbone est remplacé par un atome d’azote et la place d’un autre atome avoisinant est laissée vide dans la structure cristalline du diamant. Les centres azote-lacune peuvent interagir avec les champs optiques et micro-ondes et être aussi bien utilisés à température pièce que refroidis à des températures cryogéniques, ce qui les rend idéaux pour les capteurs quantiques à détection optique, les mémoires quantiques optiques et les sources de lumière quantique.
Pour tracer son logo, M. Soltani a travaillé dans l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques (QNFCF) avec des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure par ions réactifs. Le résultat s’observe avec un microscope électronique. Puisque les chercheurs de l’IQC qui travaillent dans ce laboratoire utilisent généralement des tranches de silicium, M. Soltani a dû créer une « poche » juste pour ses petits échantillons de diamant. Pour ce faire, il a gravé une grande tranche de silicium qu’il avait conçue et fabriquée expressément pour le traitement de minuscules échantillons de diamant. Puis, il a recouvert l’échantillon d’un matériel compatible avec la lithographie par faisceau d’électrons pour tracer le logo à petite échelle, comme avec un pochoir. Après quoi le tracé a été rempli d’une mince couche de métal pour protéger le diamant sous le logo, et le matériel du pochoir a été retiré pour ne laisser que le motif couvert de métal. Une technique de gravure par ions réactifs a ensuite été appliquée pour enlever une couche de diamant non protégé par le masque de métal. Enfin, le masque a été retiré, exposant le logo de l’IQC gravé dans la pierre précieuse.
En plus de ses travaux pour améliorer la collecte de photons émis par les centres azote-lacune, Mohammad Soltani compte explorer l’utilisation de ces centres pour convertir les photons à micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons optiques pouvant être transmis sur de longues distances.
Les plus grandes avancées scientifiques sont le fruit de collaborations, et ce projet ne fait pas exception. M. Soltani a travaillé sous la supervision de deux professeurs de l’IQC et du Département de génie électrique et informatique : Michal Bajcsy et Chris Wilson. Ont aussi contribué au projet Supratik Sarkar; Vinodh Muthu; Behrooz Semnani, Ph. D.; et Abdolreza Pasharavesh. Cette étude a été financée en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par le biais du programme de TQT de l’IQC.