Австралия и Япония работают над переработкой алмазной пыли в квантовые наноматериалы
Исследователи из Университета Мельбурна и Австралийской научно-исследовательской организации CSIRO совместно с японским Национальным институтом квантовой науки и технологий (QST) приступили к разработке новых методов производства, позволяющих преобразовывать низкокачественную алмазную пыль в высокоэффективные материалы для квантовых технологий. Цель проекта заключается в развитии национальных компетенций Австралии в области квантовых технологий, а также в снижении зависимости страны от глобальных цепочек поставок специализированных материалов в будущем.
Хотя в настоящее время основной технологической темой остаётся искусственный интеллект, квантовые технологии рассматриваются как одно из ключевых направлений будущего развития науки и промышленности. Они охватывают такие области, как вычисления, сенсорика и сверхточные измерения, потенциально способные радикально изменить подходы к навигации, обнаружению угроз, медицинской диагностике и обработке данных на уровнях, недоступных классическим системам.
Одним из главных ограничений развития квантовых технологий сегодня остаётся необходимость работы при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю около −273 °C. Поддержание таких условий в практических приложениях крайне сложно и дорого, поэтому исследователи активно ищут материалы, способные функционировать при более высоких, вплоть до комнатных, температурах. Среди таких материалов особое внимание привлекают алмазы благодаря их уникальной кристаллической структуре.
С точки зрения атомной структуры алмаз представляет собой решётку из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Для квантовых применений используются специальные «квантовые» алмазы, содержащие контролируемые дефекты на атомном уровне. Такие дефекты не являются природной особенностью идеального кристалла и создаются искусственно.
Одним из наиболее изученных типов дефектов является так называемый азотно-вакансионный центр (NV-центр), при котором атом углерода заменяется атомом азота, а соседний атом углерода отсутствует, формируя вакансию в решётке. NV-центры позволяют использовать алмаз как чувствительный элемент квантовых сенсоров, способных фиксировать магнитные и электрические поля, изменения температуры и другие параметры с высокой точностью. Однако создание таких структур является сложным и дорогостоящим процессом, что ограничивает их массовое применение.
Использование алмазной пыли рассматривается как потенциальное решение этой проблемы, поскольку позволяет применять менее ценный исходный материал при сохранении необходимых свойств для формирования NV-центров и квантовых характеристик. В таком случае ключевой задачей становится разработка технологий преобразования и контроля качества нанодимондов.
В рамках сотрудничества с японским QST австралийские исследователи получают доступ к передовым методам производства и тестирования, что ускоряет разработку масштабируемых процессов получения квантовых материалов. Одновременно это направление рассматривается как элемент технологического суверенитета, позволяющий снизить зависимость от нестабильных международных цепочек поставок специализированных материалов.
В ближайшей перспективе работы сосредоточены на повышении стабильности и однородности квантовых нанодимондов, а также на точном формировании NV-центров вблизи поверхности кристаллов для повышения их чувствительности. Дополнительно материалы проходят тестирование на стабильность и сенсорные характеристики при участии CSIRO.
Если технология окажется масштабируемой, она позволит превратить низкокачественную алмазную пыль в основу для высокоточных квантовых устройств нового поколения, открывая новые возможности для развития квантовой индустрии.