OLIVERO P. - FISR 2019 - "Intelligent fabrication of QUANTum devices in DIAmond by Laser and Ion Irradiation"

Il diamante è assurto a materiale di grande interesse in ottica quantistica, grazie alla peculiari caratteristiche del centro di colore associato alla vacanza di azoto (NV-Nitrogen Vacancy). Il centro NV è caratterizzato da una fluorescenza spin-dipendente, che risulta quindi implicitamente rivelatrice dello stato di spin, e da tempi di coerenza dell'ordine di 1 ms a temperatura ambiente. In aggiunta, i livelli energetici dello stato fondamentale sono sensibili alla presenza di campi esterni. Queste proprietà rendono i centri NV promettenti come piattaforma scalabile per sensoristica efficiente con risoluzione su scala molecolare e per informazione quantistica. La fotonica in diamante è vantaggiosa per la magnetometria ottica, grazie al potenziamento dell'interazione e alla inerente stabilità fornita dalla propagazione in ottica guidata. Il diamante è anche un materiale affascinante per realizzare circuiti microfluidici, grazie alla sua particolare biocompatibilità, mentre i centri NV agiscono da sensori. Tuttavia, la fabbricazione di dispositivi in diamante con accurata distribuzione spaziale di centri NV rimane a presente una sfida irrisolta. La grande promessa delle tecnologie quantistiche in diamante, che potrebbero portare ad una crescita esponenziale della potenza di calcolo per la risoluzione di problemi multi-variabile, così come a sensori nanometrici ultra-sensibili, può divenire realtà usando il sistema di nano-fabbricazione intelligente proposto nell'ambito di QuantDia. Impiegando impulsi laser al femtosecondo, sistemi di conformazione adattativa dei fasci ottici, irraggiamento ionico e monitoraggio in tempo reale, interfacciati tramite computer con microscopia confocale 3D e stadi motorizzati a 3 assi, si possono realizzare dispositivi tecnologici 3D in diamante, altamente customizzabili e ad alte prestazioni. Proponiamo un metodo rapido di nanofabbricazione e prototipazione 3D basato su impulsi laser al femtosecondo focalizzati tramite ottiche adattative, per realizzare circuiti optofluidici e centri NV "on-demand". Il monitoraggio in tempo reale durante la fase di scrittura laser permetterà di definire la posizione dei centri di colore in modo deterministico e perfettamente allineati con i circuiti optofluidici scritti al laser. A complemento del metodo di scrittura laser, svilupperemo metodiche di impiantazione ionica per formare centri NV e microcanali nel volume del diamante. In aggiunta, svilupperemo un nuovo metodo di impiantazione ionica ibrida seguita da irraggiamento laser per formare nel diamante centri di colore di gruppo IV di alta qualità. Nell' ambito di QuantDia, i blocchi costruttivi ad alte prestazioni, realizzati mediante scrittura laser ed irraggiamento ionico, verranno integrati per produrre sensori quantistici innovativi, quali un rivelatore microfuidico di singola molecola ed un rivelatore ultra-sensibile di campo elettrico, usando una distribuzione densa di centri NV in guida d'onda ottica. I sensori quantistici obiettivo di QuantDia sfruttano i punti di forza già noti della sensoristica quantistica basata sui centri NV, inserendoli nel contesto di dispositivi completamente integrati. Sarà quindi possibile disporre di tecnologie sensoristiche d'avanguardia in confezione miniaturizzata e di più diretto uso, favorendone in particolare l'impiego nell'ambito delle scienze della vita. In aggiunta, si prevede che l'approccio dirompente e personalizzabile delle tecnologie di fabbricazione intelligenti basate sulla scrittura laser e l'irraggiamento ionico sviluppate con QuantDia troverà applicazioni all'infuori del diamante, nell'ambito di altre piattaforme quantiche emergenti quali quelle a nitruro di gallio, carburo di silicio e nitruro di boro esagonale.