Het gebruik van spindefecten in vaste toestand als qubits voor quantumtoepassingen vereist lange spin coherentietijden (gedefinieerd als de maximale duur dat een systeem in een geprepareerde quantumtoestand kan blijven). Deze coherentietijd wordt beperkt door de interactie van spin-qubits met de magnetische ruis die ontstaat uit het omringende elektronen- en kernspinbad. De kwaliteit van het gastmateriaal is dus een essentiële factor voor de ontwikkeling van hoogperformante vaste-stof qubits.

Gebaseerd op onze erkende expertise op het gebied van diamantsynthese door middel van plasma versterkte chemische dampdepositie (PECVD), werken we aan de ontwikkeling van kwantumzuiver diamant met een ultrahoge isotopische en structurele zuiverheid in vergelijking met commercieel beschikbare materialen. Dit werk omvat de optimalisatie van PECVD-reactoren en epitaxiale groeiparameters voor de bereiding van diamantlagen met één kristal van hoge kwaliteit.

Een ander doel is de vorming van spindefecten met gecontroleerde dichtheid, diepte, ladingstoestand en coherentietijd door in-situ dotering tijdens PECVD. De eigenschappen en locatie van kleurcentra in het diamantkristal kunnen worden aangepast, bijvoorbeeld door co-doping met verschillende atomen of door etsen en selectieve CVD-overgroei van diamant. Ons onderzoek is vooral gericht op de fabricage van gedopeerde enkel-kristalmaterialen met optimale eigenschappen voor de foto-elektrische uitlezing van spintoestanden. Parallel daaraan onderzoeken we ook de zaadloze PECVD-groei van gedoteerde nanodiamanten met een hoge kristalkwaliteit, gecontroleerde grootte en lange T₁ spincoherentietijden, die nodig zijn voor quantum sensing op nanoschaal, vooral in biologische omgevingen.

De optimalisatie van de kwaliteit van het gastmateriaal, evenals de studie van het mechanisme voor de vorming van spindefecten en de beoordeling van hun kwantumeigenschappen, is gebaseerd op de terugkoppeling van eigen karakterisering van structurele, optische, foto-elektrische en spineigenschappen door middel van verschillende geavanceerde technieken, waaronder SEM, AFM, confocale microscopie, fotoluminescentie- en fotostroomspectroscopie, vluchttijd- en spincoherentiemetingen.

Kwantumsensoren, waarbij de invloed van externe parameters op kwantumsuperposities wordt gedetecteerd, hebben het potentieel om ultralage gevoeligheden te bereiken. Magnetometers in vaste toestand gebaseerd op ensembles van NV-centerspins in diamant behoren tot de meest ontwikkelde kwantumsensoren, waarvan de eerste geïntegreerde apparaten naar verwachting binnen de komende tien jaar commercieel beschikbaar zullen worden. Ze maken de detectie mogelijk van magnetische velden sub-picoTesla met een hoog dynamisch bereik en bandbreedte en zouden toepassingen kunnen vinden in de auto-industrie, de ruimtevaart, storingsanalyse of detectie van magnetische velden in biologische omgevingen.

De QST-divisie bij Imo-Imomec werkt aan de ontwikkeling van foto-elektrisch uitleesbare NV-diamantsensoren voor detectie van magnetische velden en microgolven. Vergeleken met optisch uitleesbare systemen zouden deze sensoren een hogere gevoeligheid en compactheid kunnen bieden, evenals een eenvoudigere integratie met elektronica. Een van onze doelstellingen is de ontwikkeling van architecturen en protocollen die de parallelle adressering van aangrenzende micrometrische pixels mogelijk maken, om zo ruimtelijk verschoven foto-elektrische kwantumsensoren te vormen. Parallel hieraan ontwikkelen we volledig geïntegreerde compacte magnetometers, die alle benodigde componenten bevatten, van het controle- en uitleessysteem tot magnetische, microgolf-, radiofrequentie- en optische manipulatie-instrumenten. Dit type geminiaturiseerde apparaten is van groot belang voor wetenschappelijke ruimtemissies, metingen van het aardmagnetisch veld voor geologisch onderzoek, satellietnavigatie of het monitoren van ruimteweer.

Ons onderzoek richt zich in het bijzonder op het verbeteren van de gevoeligheid van foto-elektrisch uitleesbare diamanten kwantum sensoren, door het maximaliseren van de NV centra ladingstoestand zuiverheid en de spin initialisatie trouw, het minimaliseren van de achtergrond fotostroom en het verbeteren van de lading dragers collectie efficiëntie. Om deze doelen te bereiken moet de omgeving van de NV-centra beter gecontroleerd worden, moet de diamant-elektrode-interface verbeterd worden en moeten de experimentele parameters geoptimaliseerd worden. Er worden ook protocollen ontwikkeld om de foto-elektrische uitlezing compatibel te maken met hoogfrequente AC quantum sensing.

Tegelijkertijd onderzoeken we het gebruik van nanodiamanten met kleurcentra voor temperatuurdetectie op nanoschaal in een biologische omgeving.

Een voorbeeld van kwantumsensortoepassingen is project OSCAR-QUBE, een demonstratie van een op NV gebaseerde kwantummagnetometersensor die aan boord van het internationale ruimtestation werd getest.

Het huidige onderzoek naar kwantumcommunicatie wordt gemotiveerd door de behoefte aan encryptiemethoden die, in tegenstelling tot klassieke encryptie, niet kunnen worden gebroken door kwantumcomputers. De ontwikkeling van kwantumenetwerken zou kunnen leiden tot toepassingen zoals verbeterde sensornetwerken of gedistribueerde kwantumcomputing. Om communicatie over grote afstanden mogelijk te maken, vereisen kwantumnetwerken de aanwezigheid van kwantumrepeaters, die de distributie van kwantumtoestanden en informatie tussen entiteiten zonder directe punt-tot-puntverbindingen mogelijk maken.

De QST-divisie bij imo-imomec bestudeert de ontwikkeling van kwantumgeheugens die kunnen worden gebruikt als buitenste knooppunten voor kwantumcommunicatienetwerken. We onderzoeken in het bijzonder geheugens gebaseerd op NV-centra in diamant, die de langste geheugencoherentie-eigenschappen hebben bij kamertemperatuur en waarvoor we al de foto-elektrische uitlezing van een enkele kernspin gekoppeld aan een NV elektronspin hebben vastgesteld. Andere puntdefecten in diamant - in het bijzonder groep IV-vacantiefouten, die betere optische eigenschappen hebben - worden echter ook overwogen voor deze toepassing.

Een ander zwaartepunt van ons werk is lichtdetectie met ultralage ruis, voor toepassing op het gebied van detectie van zwaartekrachtgolven. Theoretische studies gericht op de wiskundige beschrijving van lichtkwantumdetectie (in het bijzonder knijp- en verstrengelingsgebaseerde methoden) worden uitgevoerd en er wordt een experimentele opstelling ontwikkeld voor de productie van geknepen licht en de heterodyne detectie van licht. We onderzoeken in het bijzonder de onderdrukking van quantumruis door gebruik te maken van spin-optomechanische hybride systemen gebaseerd op ensembles van kernspins in diamant.