Door minuscule onvolkomenheden in diamanten aan te brengen, openen wetenschappers nieuwe perspectieven voor computertechnologie, versleuteling en sensoren.
De duurzaamheid die diamant al duizenden jaren tot een begeerd juweel maakt, wordt vandaag benut om er op termijn een uiterst geavanceerde sensor van te maken. Zo’n sensor zou het mogelijk maken hersengolven uit te lezen, te navigeren zonder satellieten en ziekten sneller en nauwkeuriger te diagnosticeren.
Dit nieuwe tijdperk voor diamant steunt op de omkering van de eigenschap waardoor de steen al zo lang wordt gewaardeerd: zijn perfecte regelmaat. Door uiterst kleine onvolkomenheden aan te brengen in de strak geordende kristalstructuur, kunnen wetenschappers een diamant omvormen tot een uitzonderlijk gevoelige detector van subatomaire kwantumverschijnselen.
Die verrassende nieuwe toepassingen van diamant maken deel uit van een bredere doorbraak in hooggespecialiseerde sensortechnologie, gebaseerd op de merkwaardige wetten van de kwantummechanica.
Synthetische stenen uit China
Precies honderd jaar nadat de Duitse wetenschapper Werner Heisenberg een wiskundig raamwerk ontwikkelde om kwantumfysica te beschrijven, betreedt de wereld wat onderzoekers de ‘tweede kwantumrevolutie’ noemen.
De eerste revolutie draaide om het begrijpen van kwantumgedrag en legde de basis voor het industriële tijdperk van elektronica, lasers en supergeleiding. De tweede revolutie gaat over het nauwkeurig beheersen van die kwantumprocessen, met ingrijpende nieuwe toepassingen in onder meer computertechnologie, versleuteling en sensoren.
Voor diamant komt die kwantumrevolutie op een moment dat de bredere sector in zwaar weer verkeert. De verkoop van natuurlijke diamantjuwelen is sinds de covidpandemie sterk teruggevallen, vooral door de concurrentie van goedkope synthetische stenen uit China. Tegen die sombere achtergrond zien sommige spelers in de sector in technologiediamanten — waaronder in het laboratorium gemaakte kwantumdiamanten — als een mogelijke groeimotor.
Nieuwe sensoren
Veel aandacht rond kwantumtechnologie ging de voorbije jaren naar de ontwikkeling van computers die zelfs de krachtigste huidige machines zouden overtreffen. Maar terwijl breed inzetbare kwantumcomputers nog toekomstmuziek zijn, staan kwantumsensoren veel dichter bij praktische toepassingen. Ze worden vandaag al gebruikt in medische beeldvorming, uiterst nauwkeurige tijdsmeting en navigatie.
“Lasers, halfgeleiders en supergeleiders maken allemaal deel uit van die eerste kwantumrevolutie, en die is bijzonder ingrijpend geweest”, zegt Sir Peter Knight, kwantumfysicus en voorzitter van de strategische adviesraad van het Britse National Quantum Technologies Programme.
“De tweede revolutie draait om het vermogen om informatie op kwantumniveau uit atomaire materie te halen en te verwerken. Dat levert nieuwe sensoren op, nieuwe vormen van tijdsmeting en nieuwe mogelijkheden om gegevens over te dragen”, voegt Knight toe.
‘Tegenintuïtief’
De term ‘kwantumsprong’ wordt vaak gebruikt om een grote technologische vooruitgang te beschrijven. Maar de kracht van kwantumtechnologie in sensoren zit niet in het meten van grote veranderingen, wel in het uiterst nauwkeurig waarnemen van bijzonder kleine.
In de fysica verwees het begrip ‘quantum’ oorspronkelijk naar vaste hoeveelheden — discrete ‘pakketjes’ — energie die worden overgedragen wanneer licht of andere vormen van straling op materie inwerken. Afhankelijk van de grootte van zo’n energiepakket kunnen meetbare eigenschappen van atomen veranderen, zoals hun rotatie, trilling of het gedrag van hun elektronen.
In deze submicroscopische wereld treden kwantumverschijnselen op die vaak haaks lijken te staan op onze dagelijkse ervaring. De Nobelprijzen die op 10 december werden uitgereikt, vormen daar een sprekend voorbeeld van. De Nobelprijs voor Natuurkunde van dit jaar had betrekking op een kwantummechanisch effect dat bekendstaat als ‘tunneling’. Daarbij lijken kwantumdeeltjes zich soms niet te laten tegenhouden door fysieke barrières, maar aan de andere kant ervan te verschijnen. In menselijke termen zou dat betekenen dat een tennisbal dwars door een muur vliegt — zonder een spoor na te laten.
“Kwantummechanica is tegenintuïtief”, merkte Michel Devoret, een van de laureaten, enkele dagen voor de prijsuitreiking in Stockholm droogjes op. “Haar logica verschilt fundamenteel van de logica van ons dagelijks leven.” Zulke processen zijn bijzonder kwetsbaar en worden snel verstoord door invloeden uit de omgeving, zoals trillingen of magnetische velden. Daarom hebben ze een robuust dragermateriaal nodig dat bescherming biedt en zelf zo weinig mogelijk storende ruis veroorzaakt.
Daar komt diamant — de hardste natuurlijk voorkomende stof op aarde — in beeld. Dankzij zijn stijve kristalrooster van koolstofatomen, verbonden door sterke chemische bindingen, is diamant bestand tegen trillingen. Bovendien zorgen eigenschappen van de koolstofkernen voor een magnetisch ‘stille’ omgeving waarin kwantumverschijnselen zich kunnen handhaven.
Magisch
De kwantumeigenschappen van diamant werden deels bij toeval ontdekt, zo’n twintig jaar geleden. Een natuurlijke roze steen uit Siberië, de ‘magische Rus’, werd geslepen en naar laboratoria over de hele wereld gestuurd. Dat leidde tot een golf van wetenschappelijke publicaties over zijn uitzonderlijke vermogen om een kwantumtoestand te behouden bij kamertemperatuur.
Pogingen om via mijnbouw zo’n tweede magische diamant te vinden leverden niets op. Uiteindelijk slaagden wetenschappers er wel in om kwantumdiamanten in het laboratorium te vervaardigen. Een van die stenen bevindt zich op de Harwell Science Campus in Oxfordshire, in een laboratorium van de industriële diamantproducent Element Six. Het gaat om een kleine roze kubus, kleiner dan een vingertop, verwerkt in een zwarte kunststofsensor. In deze synthetische diamant bevindt zich een stikstofvacaturecentrum. Dat houdt in dat twee aangrenzende plaatsen in het kristalrooster, die normaal door koolstofatomen worden bezet, nu respectievelijk een stikstofatoom en een lege plaats bevatten.
De kwantumwerking speelt zich af in dat stikstof-vacaturecentrum en heeft te maken met elektronen en hun kwantumspin, een eigenschap die verschillende toestanden kan aannemen onder invloed van externe elektromagnetische of magnetische velden. Dat is vergelijkbaar met hoe staafmagneten in eenvoudige natuurkundeproeven op elkaar reageren. “Je kunt het stikstof-vacaturecentrum zien als een kompas”, zegt Daniel Twitchen, de hoofdtechnoloog bij Element Six. “Dat kompas fungeert in wezen als een uiterst gevoelige magneetsensor.”
Veranderingen zijn meetbaar omdat ze bepalen of het stikstofvacaturecentrum meer of minder licht uitzendt, afhankelijk van de toestand van de elektronenspins. Daardoor zijn kwantumdiamanten bijzonder geschikt om uiterst kleine veranderingen waar te nemen. Ze zijn zo gevoelig dat ze een auto kunnen detecteren die honderd meter verderop passeert, aldus Twitchen. Deze kwantumdiamanten worden op nanoschaal vervaardigd door tijdens het groeiproces stikstof toe te voegen, waardoor de stikstofvacaturecentra ontstaan. “Om zo’n kwantumdiamant te maken, moet je één molecuul op een miljoen aanpassen,” zegt Twitchen.
‘De voorbije zeventig jaar werden diamanten vooral gebruikt om te snijden, te boren en te slijpen. In de komende zeventig jaar wordt diamant zelf een essentieel technologisch onderdeel van de volgende kwantumrevolutie’
Daniel Twitchen, hoofdtechnoloog bij Element Six
Commerciële voorloper
Element Six — genoemd naar koolstof, het zesde element in het periodiek systeem — behoort tot een kleine groep commerciële bedrijven die vooroplopen in de ontwikkeling van kwantumsensoren.
Hoewel het bedrijf zijn eerste kwantumdiamant meer dan vijftien jaar geleden produceerde, is het productieproces pas sinds kort voldoende verfijnd is om die stenen betrouwbaar en betaalbaar te maken. Vandaag zijn ze verkrijgbaar voor enkele duizenden ponden. Ook de technologie om de kwantumdiamant te integreren in een elektronisch uitleessysteem is sterk verbeterd. “Tot nu toe draaide het vooral om de wetenschap van de diamant zelf”, zegt Twitchen. “De cruciale vraag is nu hoe we die diamant in een volledig systeem inbedden, met de bijbehorende elektronica.”
Element Six behaalt jaarlijks ongeveer 300 miljoen dollar omzet uit industriële diamanten, die vooral worden gebruikt voor slijpen, polijsten en boren. Het bedrijf zet er sterk op in dat technologiediamanten — waaronder kwantumdiamanten en diamanten voor lasers en halfgeleiders — de toekomst vormen. “We staan aan het begin van een nieuw tijdperk voor synthetische diamant,” zegt algemeen directeur Siobhán Duffy. “We zien enorme kansen.”
Umicore
Toch blijven er belangrijke vragen bestaan over hoe nuttig kwantumsensoren in de praktijk zullen blijken — en hoe snel ze commercieel rendabel worden. Ook andere materialen kunnen bruikbare kwantumeffecten vertonen, zoals grafeen (net als diamant een vorm van koolstof) en siliciumhoudende stoffen.
Een belangrijk voordeel van diamant is echter dat hij kan functioneren bij kamertemperatuur en onder normale luchtdruk, met standaardapparatuur, zegt Knight. “Het feit dat het om een vastestofapparaat zonder bewegende onderdelen gaat, levert de robuustheid die nodig is voor grootschalige toepassingen.”
“Diamanten zijn moeilijk te maken, maar eenmaal geproduceerd zijn ze stabiel en veerkrachtig”, zegt Louis Barson, de directeur wetenschap, bedrijfsleven en onderwijs van het Britse Institute of Physics. “Het nadeel is dat ze lastig te koppelen zijn aan siliciumelektronica. Daardoor zijn ze van nature geschikter voor sensoren dan voor grootschalige kwantumcomputers, al loopt er veelbelovend onderzoek om die hindernissen te overwinnen.”
Element Six is grotendeels in handen van De Beers, dat deel uitmaakt van mijnbouwgroep Anglo American. Het Belgische Umicore bezit 40 procent van de slijpmiddelendivisie. Volgens onderzoekers is Element Six het meest geavanceerde westerse bedrijf in het domein van kwantumdiamanten. Andere spelers zijn onder meer het Australische Quantum Brilliance, dat onlangs een kwantumdiamantfabriek opende, en de Duitse start-up QuantumDiamonds, die testapparatuur ontwikkelt voor de halfgeleiderindustrie.
Vliegtuignavigatie
Zoals vaak bij baanbrekende wetenschap is het nog onduidelijk waar de eerste commerciële doorbraak voor kwantumdiamanten zal plaatsvinden.
Katrin Kobe, algemeen directeur van Bosch Quantum Sensing, een dochteronderneming van het Duitse technologieconcern Bosch, zegt dat haar team bij de oprichting van de kwantumafdeling drie jaar geleden meer dan honderd mogelijke toepassingen in kaart bracht. In 2022 namen de kwantumdiamantsensoren “een halve kamer in beslag en kostten ze evenveel als een gezinswoning”, herinnert ze zich. Vandaag zijn ze niet groter dan een smartphone en zijn de kosten sterk gedaald.
Een mogelijke toepassing is luchtvaartnavigatie. Kwantumsensoren zouden op termijn de afhankelijkheid van gps-satellieten kunnen verminderen, die vrij eenvoudig te verstoren of te misleiden zijn. “We zijn gestart met een proefproject voor vliegtuignavigatie op basis van het magnetisch veld van de aarde”, zegt Kobe. Dat kan de bestaande satellietnavigatie aanvullen.
Daarvoor is wel een gedetailleerde magnetische kaart van de aarde nodig, evenals goedkeuring van luchtvaartautoriteiten. Toch kan de technologie baanbrekend zijn, zeker nu de bezorgdheid over de betrouwbaarheid en kwetsbaarheid van gps wereldwijd toeneemt.
Ook geologische exploratie van de aardkorst is een vroege toepassing: kwantumsensoren kunnen uiterst kleine veranderingen in het magnetisch veld detecteren die wijzen op de aanwezigheid van grondstoffen.
Virussen opsporen
Op lange termijn ziet Kobe grote mogelijkheden voor kwantumdiamantsensoren in de koppeling tussen brein en machine, een markt die volgens haar ooit 5 miljard dollar groot kan worden. “Onze visie is een sensor die zo klein en zo gevoelig is dat hij hersensignalen kan meten en omzetten in actie”, zegt ze. “Dat je een machine kunt aansturen met je gedachten.”
De eerste toepassingen zullen zich echter vooral in de geneeskunde situeren. Een mogelijke vroege toepassing — momenteel in testfase — is een alternatief voor het elektrocardiogram (ECG), waarbij vandaag meerdere elektroden op de borst van een patiënt worden gekleefd. Een medisch apparaat met kwantumsensoren zou dezelfde informatie kunnen verzamelen door simpelweg in de buurt van het hart te worden geplaatst.
Een ander veelbelovend domein is het gebruik van stikstofvacaturediamanten om virussen zoals SARS-CoV-2 en hiv in een vroeger stadium op te sporen dan met bestaande tests. Onderzoek toont aan dat kwantumnanodiamanten gevoeliger zijn dan materialen zoals goudnanodeeltjes, die worden gebruikt in snelle antigeentests, waaronder de bekende lateralestroomtests uit de covidperiode.Een test op basis van nanodiamanten bleek volgens onderzoek dat in oktober werd gepubliceerd in Nature Communications ongeveer duizend keer gevoeliger dan bestaande tests. Daardoor kunnen veel lagere virusconcentraties worden opgespoord, wat een vroegere diagnose mogelijk maakt — cruciaal voor zowel behandeling als het beperken van verdere verspreiding.
Cruciaal onderdeel
Onderzoekers verkennen intussen tal van andere toepassingen. De Universiteit van Nottingham huisvest een onderzoekscentrum voor kwantumsensoren op basis van diamant, dat onder meer werkt aan het volgen van gevaarlijke chemische reacties en het monitoren van koolstofafvang en -opslag. Volgens het centrum kan de technologie van belang zijn voor sectoren als gezondheidszorg, voedselzekerheid en defensie.
Al die inspanningen zitten in de voorhoede van een uitzonderlijke vooruitgang in sensortechnologie. De esthetische aantrekkingskracht van diamant mag dan tijdloos zijn — een kwantumdiamant kan zijn werk doen in een fractie van een seconde. “De voorbije zeventig jaar werden diamanten vooral gebruikt om te snijden, te boren en te slijpen”, zegt Twitchen. “In de komende zeventig jaar wordt diamant zelf een essentieel technologisch onderdeel van de volgende kwantumrevolutie.”
