Fizikai Tudományok Doktori Iskola 

TTK, Fizika Tanszék

Témavezető: Dr. Simon Ferenc

Telekom-kompatibilis kvantumkommunikáció

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A kvantuminformatika információs egysége a kvantumbit (qubit), mely két jól megkülönböztethető állapottal bíró kvantummechanikai rendszer. Mivel a kommunikáció jelenleg is optikai úton zajlik, kézenfekvő olyan kvantuminformációs hálózatok megalkotása, ahol az egyes csomópontokban lévő kvantumbitek optikai úton (is) manipulálhatók. Erre kínálnak megoldást a gyémántban létrehozott nitrogén-vakancia (NV) -centrumok, melyek zöld (500-550 nm) fénnyel gerjeszthetők (inicializálhatók), és jellemző lumineszcenciájuk a 600-700 nm-es tartományba esik. Kutatásom során ilyen rendszerek magnetooptikai tulajdonságainak vizsgálatát végzem el lézeres fotolumineszcencia, optikailag detektált mágneses rezonancia és elektronspin-rezonancia módszerekkel. Ugyanezekkel a kísérleti technikákkal szén nanocsövek elektronállapotait is vizsgálom, mivel a két anyag együttes alkalmazásával a látható fény tartományában manipulálható NV-centrumok és a közeli infravörös tartományban működő optikai kommunikációs hálózat között kívánok kapcsolatot teremteni.

A kutatóhely rövid bemutatása

 

Munkámat Simon Ferenc témavezetésével a BME Fizika Tanszék ESR laboratóriumában végzem. Csoportunkban a kísérleti kutatás fókuszában szénalapú struktúrák (grafén, szén nanocsövek) előállítása és elektronikus, mágneses, optikai tulajdonságaik vizsgálata, módosítása áll. A csoport hazai (BME NTI, Wigner FK, ATOMKI) és nemzetközi (K. Holczer, UCLA; L. Forró EPFL, T. Pichler, Univ. Vienna; N. M. Nemes, UCM) együttműködések révén jelentős mozgástérrel rendelkezik, mind a minták előállítása, mind a kísérleti vizsgálatok esetében.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A kvantumkommunikáció századunk egyik hívószava, a gyors és feltörhetetlen (kvantum kriptográfia) információátadás ígérete. Megvalósításához azonban szükségünk van a meglévő technológia fejlesztésére és radikálisan új megközelítésre is. Az információ hordozója nem a klasszikus bit, hanem a kvantumbit (qubit), melynek megvalósítására sok párhuzamos platform van versenyben. Míg az információ tárolására és manipulálására sok elképzelés létezik, az információ továbbítására a fény (pontosabban annak polarizációja) tűnik egyedül alkalmas megoldásnak. Ezzel viszont előtérbe kerülnek azok a qubitrendszerek, melyek optikai módszerekkel manipulálhatók. Célom ilyen, optikai hálózatokba integrálható kvantumbitek létrehozása. A szilárdtestekben található komplex hibák, mint például a gyémántban létrehozott nitrogén-vakancia (NV) -centrum remek példái az optikai úton inicializálható kvantumbiteknek [2], ugyanakkor felmerül a telekom-kompatibilitás kérdése, vagyis, hogy az információ továbbítására használt optikai szálak a közeli infravörös tartományban (1300 nm, 1550 nm) rendelkeznek a legkisebb elnyeléssel, így célszerű olyan ponthibák létrehozása, melyek ebben a tartományban nyelnek el, illetve bocsátanak ki fotonokat. Egy másik megközelítés, hogy olyan színcentrumokat használunk qubitként, melyek nem a közeli infravörös optikai tartományban manipulálhatók (például NV- centrumokat), de beiktatunk egy fotonkonvertáló rendszert. Erre a célra kézenfekvő megoldás a szén nanocsövek (CNT) alkalmazása, mivel a gerjesztési tartományuk az NV-centrumok emissziójával, míg fotonkibocsátási tartományuk az optimális közeli infravörös tartománnyal fed át, vagyis megfelelő hidat képeznek a látható fénnyel manipulált kvantumbitek és a közeli infravörös tartományban működtetett optikai kommunikációs hálózat között.

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

Kutatásom célja nitrogén-vakancia-centrumok előállítása gyémánt egykristályokban, és azok kommunikációs hálózatba való integrálási lehetőségének vizsgálata optikai és mikrohullámú spektroszkópiai módszerek segítségével. A nitrogén-vakancia-centrumok nagy mennyiségű, ugyanakkor kontrollált előállítása és minősítése fontos szempontok a későbbi ipari léptékű alkalmazás miatt.

A nitrogén-vakancia-centrumok és szén nanocsövek közti fotokonverzió (információátadás) realizálásához elsőként szükséges a két részrendszer izolált vizsgálata, így párhuzamosan végzünk méréseket szén nanocsöveken, illetve nitrogén-vakancia-centrumokon.

1.ábra: Fotokonverzió mechanizmusa szén nanocső segítségével nitrogén-vakancia-centrum és optikai szál közt (ábrák forrása sorrendben: [1], [S2], Toptica photonics)

Módszerek

Mintakészítés:

A nagy nyomáson és magas hőmérsékleten előállított gyémánt minták nagy mennyiségben tartalmaznak nitrogén atomokat, amelyek a szén atomok rácshelyein ülnek. Ezeket a kristályokat a BME NTI tanreaktorában neutronbesugárzásnak kitéve a gyémánt rácsban hibák (vakanciák) keletkeznek, melyeket a besugárzás után hőkezeléssel mobilizálok. A vakanciák diffúziójuk során nitrogén atomok közelében elhaladva kötött állapotba kerülnek, ezzel létrehozva a nitrogén-vakancia-centrumot.

 

2.ábra: A magas nitrogéntartalmú gyémánt (bal, forrás: E6 Ltd.) és a besugárzás, illetve hőkezelés után NV-centrumokat tartalmazó minták (jobb). A hőkezelést zárt rendszerben varigon atmoszféra (95% Ar, 5% H₂) alatt 900 °C-on végzem.

Karakterizálás:

A hőkezelés után a mintákat egy kereskedelmi Bruker Elexsys E500 spektrométerbe helyezve felveszem az elektronspin rezonancia (ESR) spektrumukat, amiből az intenzitás adatok alapján meghatározható az NV-centrumok abszolút mennyisége, illetve a nitrogén–NV-konverziós hatásfok. Kiegészítő módszerként fotolumineszcencia-méréseket is végzek a mintákon, valamint együttműködésben lehetőségünk van látható és infravörös abszorpció mérésekre. Ugyanakkor azt találtam, hogy kellően nagy koncentrációjú minták esetében az optikai módszerekben nehezen kezelhető intenzitáscsökkenés lép fel a minta grafitizációja miatt akadályozva ezzel az NV-centrumok mennyiségi analízisét, míg az ESR érzéketlen ezekre a hibaforrásokra [S5].

Spinélettartam:

Ha az NV-centrumok lumineszcenciájának mérése közben azok spinállapotait manipuláljuk rezonáns mikrohullámú besugárzással, az optikai jel megváltozik. Ez az optikailag detektált mágneses rezonancia (ODMR) alapja, mely az ESR-nél jóval érzékenyebb módszer. Az ODMR méréssel lehetőségünk nyílik az NV-centrumok spinrelaxációs idejének meghatározására, ami az NV-CNT rendszer kölcsönhatásának megértéséhez nélkülözhetetlen.

3.ábra: Nitrogén-vakancia-centrum ODMR-jelének intenzitása a mikrohullámú besugárzás modulációjának függvényében szobahőmérsékleten (bal) és 77 K-en (jobb). A minta hűtésével a spinrelaxációs idő meghosszabbodik, amit a (piros) jel maximumának alacsonyabb frekvencia felé való eltolódása jelez.

 

Eddigi eredmények

 

Az elmúlt években a szükséges berendezések fejlesztését és a szén nanocső, illetve gyémántbeli nitrogén-vakancia-centrumok előállítását is elvégeztük. Mind az eszközfejlesztés, mind a minta előállítás terén sikerült a szélesebb tudományos közösség számára is értékes eredményeket felmutatni.

A szén nanocsövek vizsgálatára fejlesztett ODMR berendezés technikai részleteiről [S1], illetve az ezzel az eszközzel a szén nanocsövek elektronikus szerkezetéről (szinglett-triplett nívók távolsága, spinélettartam) [S2] szerzett ismereteinket már publikáltuk (IF 1,428, ill. 14,588; független hivatkozások 3, ill. 6). Az NV-centrumok vizsgálatához az ODMR-berendezésen jelentős módosításokat végeztünk, és ebből egy külön publikáció született [S4]. Mindkét rendszer vizsgálatánál támaszkodunk a széles hullámhossztartományban hangolható kiemelkedő stabilitású lézerrendszerünkre, melyet a későbbi időfelbontott méréseink érdekében impulzusüzemű működésre is alkalmassá tettünk [S3]. Együttműködéseink révén sikerült kiemelkedő sűrűségben NV-centrumokat előállítanunk gyémánt egykristályokban; ennek részleteit leíró kéziratunk [S5] rövidesen publikálható, valamint egyes részeredményeket, konferencia poszterek formájában [S7-8] már közöltem. A nagy NV-centrum sűrűség előnyös metrológiai (magnetometria [3-4], elektrometria [5] és termometria [6]) alkalmazások esetében, mivel a detektált jel jel–zaj aránya az adott térfogatban lévő centrumok számával gyökösen nő. Előkészületben van egy második kézirat [S6], melyben optikailag erősített nagy mágneses térben (16 Tesla) elvégzett elektronspin-rezonancia méréseinkből kiindulva az NV-centrumok lehetséges alkalmazásának kérdését vizsgáljuk a 6G néven ismert terahertz frekvenciatartományú kommunikációban.

Várható impakt, további kutatás

Az előbb említett két kéziratot magas impakt faktorral rendelkező folyóiratokban kívánjuk közölni. Az NV-centrumok előállítása folyamatos, jelenleg is fejlesztjük az eljárást, illetve a BME NTI-vel együttműködve a gyémántok dozimetriai alkalmazását vizsgáljuk a neutronsugárzásnak kitett gyémántban létrejövő NV-centrumok mennyisége és a neutronenergia, illetve -fluxus közötti korrelációt mérve.

Egyes mintáink NV-centrum-koncentrációja meghaladja a 10 ppm (part per million) értéket. Ebben a tartományban már jelentős az NV-centrumok egymással való kölcsönhatása, mivel kellően közel kerülnek egymáshoz. Ez kvantumbitként való alkalmazásukat gátolja, ugyanakkor ezt a kölcsönható spinrendszert is érdemes vizsgálni, mivel egyfajta kísérleti realizációját adják a soktestrendszereknek, és elméleti oldalról jól ismert alapvető fizikai jelenségek vizsgálata válik lehetségessé. [7]

Egy új együttműködés keretében lehetőségünk nyílik kémiailag módosított (funkcionalizált) szén nanocsövek ODMR-vizsgálatára. Az ehhez szükséges technikai fejlesztések jelenleg is zajlanak, és várhatóan ősszel megkezdődhetnek a mérések.

Távlati célunk ezeknek a nanocsöveknek és az általunk előállított NV-centrumoknak egy rendszerbe integrálása, és a fotokonverzió igazolása fotolumineszcens spektroszkópiai és ODMR-mérésekkel.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája: (kumulált IF: 19,104)

[S1] M. Negyedi, J. Palotás, B. Gyüre, S. Dzsaber, S. Kollarics, P. Rohringer, T. Pichler, F. Simon. An optically detected magnetic resonance spectrometer with tunable laser excitation and wavelength resolved infrared detection Rev Sci Instrum 88. (2017) IF: 1,428

[S2] J. Palotás, M. Negyedi, S. Kollarics, A. Bojtor, P. Rohringer, T. Pichler, F Simon benyújtva Incidence of Quantum Confinement on Dark Triplet Excitons in Carbon Nanotubes ACS Nano 2020, 14, 9, 11254–11261           IF: 14,588 (2019)

[S3] S. Kollarics, J. Palotás, A. Bojtor, B. G. Márkus, P. Rohringer, T. Pichler, F. Simon Improved laser based photoluminescence on single-walled carbon nanotubes Phys. Status Solidi B, 256: 1900235. (2019) IF: 1,544

[S4] S. Kollarics, A. Bojtor, K. Koltai, B. G. Márkus, K. Holczer, J. Volk, G. Klujber, M. Szieberth, F. Simon Optical-microwave pump-probe studies of electronic properties in novel materials Phys. Status Solidi B,257:2000298. (2020) IF: 1,544 (2019)

[S5] S. Kollarics, F. Simon, A. Bojtor, K. Koltai, G. Klujber, M. Szieberth, B. G. Márkus, D. Beke, K. Kamarás, A. Gali, D. Amirari, R. Berry, S. Boucher, D. Gavryushkin, G. Jeschke, J. P. Cleveland, S. Takahashi, P. Szirmai, L. Forró, E. Emmanouilidou, R. Singh, K. Holczer: Ultrahigh nitrogen-vacancy center concentration in diamond előkészületben

[S6] S. Kollarics, B. G. Márkus, L. Forró, K. Holczer, F. Simon Light enhanced high field electron spin resonance on nitrogen-vacancy centers kézirat előkészületben

[S7] Kollarics S., Bojtor A., Holczer K., Gali Á., Beke D., Klujber G., Szieberth M., Simon F. Nitrogén-vakancia centrumok vizsgálata elektronspin-rezonancia és fotolumineszcens spektroszkópiai módszerekkel Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2019

[S8] S. Kollarics, A. Bojtor, K. Holczer, Á. Gali, D. Beke, G. Klujber, M. Szieberth, F. Simon Experimental study of diamond with high density of nitrogen-vacancy centers

International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials 2020

 

 

Linkgyűjtemény:

kvantuminformatika

kvantumbit

BME TTK Spin Spektroszkópia Csoport

grafén

szén nanocsövek

kvantumkommunikáció

kvantum kriptográfia

nitrogén-vakancia

optikai szálak

Toptica photonics

6G

 

 

Hivatkozások listája:

[1] M. Fujiwara, R. Tsukahara, Y .Sera, H. Yukawa, Y. Baba, S. Shikata, H. Hashimoto Monitoring spin coherence of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds during pH changes in aqueous buffer solutions RSC Advances 9 (2019) 12606–12614.

[2] F. Jelezko, T. Gaebel, I. Popa, M. Domhan, A. Gruber, J. Wrachtrup, Observation

295 of coherent oscillation of a single nuclear spin and realization of a two-qubit

conditional quantum gate, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 130501.

[3] J. R. Maze, P. L. Stanwix, J. S. Hodges, S. Hong, J. M. Taylor, P. Cappellaro,

L. Jiang, M. V. G. Dutt, E. Togan, A. S. Zibrov, A. Yacoby, R. L. Walsworth,

M. D. Lukin, Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in

300 diamond, Nature 455 (7213) (2008) 644–647.

[4] L. Rondin, J.-P. Tetienne, T. Hingant, J.-F. Roch, P. Maletinsky, V. Jacques, Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond, Rep. Prog. Phys. 77 (5)

320 (2014) 056503.

[5] E. H. Chen, H. A. Clevenson, K. A. Johnson, L. M. Pham, D. R. Englund, P. R.

Hemmer, D. A. Braje, High-sensitivity spin-based electrometry with an ensemble

of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. A 95 (2017) 053417.

[6] P. Neumann, I. Jakobi, F. Dolde, C. Burk, R. Reuter, G. Waldherr, J. Honert,

305 T. Wolf, A. Brunner, J. H. Shim, D. Suter, H. Sumiya, J. Isoya, J. Wrachtrup,

High-precision nanoscale temperature sensing using single defects in diamond,

Nano Lett. 13 (6) (2013) 2738–2742.

[7] S. Choi, J. Choi, R. Landig, G. Kucsko, H. Zhou, J. Isoya, F. Jelezko, S. Onoda,

330 H. Sumiya, V. Khemani, C. von Keyserlingk, N. Y. Yao, E. Demler, M. D. Lukin,

Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body

system, Nature 543 (7644) (2017) 221–225.