- Peneliti memanfaatkan pulsa laser ultraviolet berskala nanodetik untuk memodifikasi sifat optik intan.
- Pulsa laser nanodetik memungkinkan rekayasa selektif terhadap cacat intan.
- Sinyal fotoluminescensi baru terdeteksi setelah pengiradian, menunjukkan perubahan cacat.
- Penelitian ini belum mendemonstrasikan perangkat kuantum yang berfungsi atau pembuatan ulang cacat spesifik yang dapat direplikasi.
Di dalam intan, sebuah atom yang bergeser atau kekosongan dalam kisi kristal bisa menjadi kunci peningkatan teknologi kuantum. Namun, mengubah cacat semacam itu tanpa mengganggu cacat lain sambil mempertahankan kegunaan material, selama ini merupakan tantangan besar. Kini, dalam sebuah penelitian baru, peneliti memanfaatkan pulsa laser ultraviolet berskala nanodetik untuk memodifikasi sifat optik intan, sambil pada dasarnya mempertahankan pusat nitrogen-vacancy (NV) yang sudah ada. Temuan ini menawarkan metode yang lebih selektif untuk merekayasa cacat intan. "Penelitian kami membuktikan bahwa pulsa laser nanodetik mampu merealisasikan rekayasa selektif terhadap cacat titik intan, berpotensi untuk kontrol deterministik terhadap pusat warna intan dalam aplikasi kuantum," kata para peneliti.
Intan tersusun dari atom karbon yang tersusun dalam bentuk kisi kristal. Ketika atom bergeser, hilang, atau digantikan oleh unsur lain, akan terbentuk cacat yang lantas memberikan sifat optik dan elektronik baru pada material. Salah satu contohnya adalah pusat nitrogen-vacancy, yang terbentuk ketika atom nitrogen menggantikan atom karbon di sisi kekosongan kisi kristal. Pusat NV dapat berfungsi sebagai bit kuantum, atau qubit, dan dapat digunakan sebagai sensor sangat sensitif untuk medan magnet dan listrik. Namun, memodifikasi satu jenis cacat juga bisa memengaruhi cacat lain di sekitarnya, yang membuat penyesuaian intan untuk aplikasi spesifik menjadi sulit.
Metode Penelitian dan Desain Eksperimen
Untuk mempelajari apakah cahaya dapat memberikan kontrol yang lebih besar, peneliti mengiradiasi sebuah intan monokristal yang ditumbuhkan menggunakan teknik Chemical Vapor Deposition (CVD).
Mereka menggunakan pulsa laser ultraviolet 266 nanometer, dengan durasi enam nanodetik per pulsa, untuk mengiradiasi area lokal kristal. Kepadatan energi laser—energi yang diserapkan per satuan luas—berkisar dari 2,2 hingga 8,6 joule per sentimeter persegi. Sebelum pengiradian, tim melakukan karakterisasi intan menggunakan spektroskopi fotoluminescensi konfokal, spektroskopi absorpsi ultraviolet-visibel, dan spektroskopi inframerah transformasi Fourier. Teknik-teknik ini membantu menentukan cacat optik awal, transparansi, dan kandungan impuritas kristal. Material awal hampir tidak mengandung nitrogen substitusional, yang merepresentasikan atom nitrogen yang menggantikan atom karbon dalam kisi kristal.
Penetapan garis dasar ini krusial: tanpanya, peneliti tidak dapat dengan percaya diri membedakan cacat yang terkait dengan perlakuan laser dan cacat yang sudah ada di dalam intan.
Observasi Sinyal Fotoluminescensi
Pasca pengiradian, peneliti mendeteksi sinyal fotoluminescensi pada 563 nanometer yang sebelumnya tidak ada di area terekspos. Sinyal emisi kedua muncul di sekitar 579 nanometer. Penelitian sebelumnya telah mengaitkan emisi-emisi ini dengan cacat interstisial karbon, yaitu atom karbon yang menempati posisi di luar lokasi normalnya dalam kisi kristal. Namun, observasi yang lebih penting adalah bagian yang tidak berubah. Pusat NV yang sudah ada di dalam intan, sinyal optiknya setelah perlakuan laser hampir tidak berubah dibandingkan area tidak diperlakukan. "Kami menunjukkan bahwa pulsa laser nanodetik ini mampu merekayasa pusat 563 nanometer secara selektif, yaitu cacat terkait interstisial, tanpa memengaruhi pusat nitrogen-vacancy (NV) latar belakang," kata penulis penelitian.
Hal ini menunjukkan bahwa laser mampu memodifikasi sebagian populasi cacat dalam kondisi yang diuji, tanpa mengganggu bagian lain secara signifikan.
Perbedaan ini krusial, karena pusat 563 nanometer dan 579 nanometer belum ditetapkan sebagai qubit yang baru saja didemonstrasikan. Sebaliknya, eksperimen ini menunjuk pada cara potensial untuk merekayasa cacat spesifik sambil mempertahankan pusat yang ada yang relevan dengan sensor kuantum intan. Peneliti juga menemukan bahwa sinyal emisi 563 nanometer tidak meningkat tanpa batas seiring pengiradian berkelanjutan. Sinyalnya bisa menurun setelah mencapai nilai maksimum, yang mengindikasikan bahwa pengiradian dapat secara bersamaan menghasilkan dan mentransformasi konfigurasi cacat. Intensitas emisi menunjukkan hubungan near-linear dengan kepadatan energi laser, dengan eksponen hukum pangkat terukur sebesar 1,10 ± 0,16.
Hal ini konsisten dengan proses eksitasi satu foton, bukan proses yang memerlukan aksi multi-foton secara bersamaan.
Mekanisme Tingkat Atom yang Belum Terpecahkan
Mekanisme tingkat atom spesifik yang terjadi di dalam intan belum terpecahkan. Peneliti mengusulkan bahwa foton ultraviolet mungkin mengekskitasi keadaan elektronik terkait cacat, dan transfer energi selanjutnya bisa memicu penyusunan ulang atom karbon di sekitarnya. Proses yang melibatkan pembawa muatan terjebak atau ekseiton (excitons) juga berpotensi berperan, namun eksperimen ini tidak menentukan jalur lengkap atau mengidentifikasi struktur atom presisi yang bertanggung jawab atas kedua emisi tersebut. Kendali atas sifat optik intan yang diklaim dalam penelitian ini pada akhirnya dapat menguntungkan sensor kuantum dan perangkat lain yang bergantung pada cacat yang dipilih dengan cermat. Namun, penelitian ini belum mendemonstrasikan perangkat kuantum yang berfungsi atau membuktikan bahwa cacat spesifik dapat diciptakan sesuai permintaan dengan sepenuhnya dapat direplikasi.
Langkah selanjutnya adalah menentukan bagaimana persis cacat bertransformasi, dan bagaimana mengontrol perubahan tersebut secara konsisten melalui penyesuaian kondisi laser. Jika peneliti dapat menghubungkan parameter pengiradian dengan perubahan atom yang dapat diprediksi, pada akhirnya mungkin dapat merancang intan dengan populasi cacat yang disesuaikan, bukan memperlakukan cacatnya sebagai campuran yang tidak terpisahkan. Penelitian ini diterbitkan di jurnal Diamond and Related Materials.
Item Spesifikasi Panjang Gelombang Laser 266 Nanometer Durasi Pulsa 6 Nanodetik Rentang Kepadatan Energi 2,2 hingga 8,6 Joule per Sentimeter Persegi
Potensi Dampak Laser Ultraviolet pada Teknologi Kuantum
Penelitian menunjukkan bahwa pemanfaatan laser ultraviolet dapat mengubah cacat spesifik secara selektif tanpa mengganggu cacat penting lain di dalam intan, hal yang krusial bagi perkembangan teknologi kuantum. Pusat nitrogen-vacancy (NV) intan memainkan peran penting dalam komputasi kuantum dan sensor, sehingga kemampuan mengontrol cacat ini dengan presisi akan membantu meningkatkan performa perangkat kuantum. Meskipun perangkat kuantum yang berfungsi belum terealisasikan, penelitian ini membuka pemikiran dan kemungkinan baru untuk aplikasi kuantum masa depan, terutama dalam merancang intan dengan cacat spesifik.