W nowym badaniu teoretycznym prowadzonym przez naukowców z Uniwersytetu w Chicago i Argonne National Laboratory zidentyfikowano mikroskopijne mechanizmy, za pomocą których powierzchnie diamentu wpływają na spójność kwantową centrów-wakantów azotu (NV)-defektów w diamencie, które stanowią podstawę niektórych z dzisiejszych najbardziej czułych czujników kwantowych. Badanie ukazało się wMateriały do przeglądu fizycznegoi został wybrany jako artykuł z sugestiami redaktorów.
„Jednym-od dawna wyzwaniem było zrozumienie, dlaczego płytkie centra NV tak szybko tracą spójność” – powiedziała Giulia Galli, profesor w Szkole Inżynierii Molekularnej Pritzkera na Uniwersytecie Chicago (UChicago PME) i starszy naukowiec w Argonne National Laboratory. „Łącząc modele powierzchni-z pierwszych zasad z symulacjami dynamiki kwantowej, zrozumieliśmy, że przyczyną dekoherencji nie jest tylko to, które spiny żyją na powierzchni diamentu, ale także sposób, w jaki się poruszają: szum powierzchniowy jest dynamiczny”.
Wyniki badania dostarczają jasnych, opartych na fizyce-wytycznych dotyczących projektowania powierzchni diamentów, które pomagają zachować spójność kwantową, co jest kluczowym wymogiem w przypadku wykrywania kwantowego i pojawiających się technologii informacji kwantowej.
Centra NV to defekty w skali-atomowej diamentu, których kwantowe stany spinowe można inicjować, kontrolować i odczytywać optycznie w temperaturze pokojowej. Umieszczone blisko powierzchni diamentu centra NV mogą wykrywać wyjątkowo słabe sygnały magnetyczne i elektryczne pochodzące z cząsteczek, materiałów i układów biologicznych. Jednak ta bliskość naraża je również na szum-powierzchniowy, taki jak zmienne defekty paramagnetyczne i szum ładunku lub{4}}pola elektrycznego, który szybko pogarsza ich spójność kwantową i ogranicza wydajność czujnika.
„W literaturze pochodzenie szumu powierzchniowego często nazywa się spinami X lub ciemnymi spinami, ponieważ nie poznano dokładnej mikroskopowej natury szumu, który może pochodzić z miejsc nieaktywnych optycznie” – powiedział dr UChicago PME. kandydat Jonah Nagura, główny autor badania. „Nasze badania pomagają dokładnie określić, co jest hałaśliwe na powierzchni i wyznaczają ścieżkę eliminacji szumu, dzięki czemu można stworzyć bardziej zaawansowane i wydajne czujniki kwantowe”.
W swojej pracy badacze połączyli modele atomistyczne powierzchni diamentów-oparte na teorii funkcjonału gęstości z zaawansowanymi symulacjami dekoherencji kwantowej, aby zidentyfikować i wyizolować dominujące mechanizmy szumu powierzchniowego.
„Podczas procesu wytwarzania powierzchni diamentów do zastosowań w czujnikach mogą powstać niepożądane defekty powierzchni, w tym tak zwane wiszące wiązania” – powiedział Nagura. „Niektóre z tych defektów mogą zawierać niesparowane elektrony, spiny paramagnetyczne, które zmieniają się w czasie i generują szum magnetyczny zakłócający centrum NV. Szum ten może zmniejszyć spójność NV i przesłaniać słabe sygnały docelowe, które chcemy zmierzyć”.
Badanie pokazuje, że sposób chemicznego zakończenia powierzchni ma ogromny wpływ na spójność NV. Obliczenia Nagury wykazały, że powierzchnie zakończone tlenem- i azotem-w dużej mierze zachowują spójność niemal-masową, nawet w przypadku ośrodków NV znajdujących się zaledwie kilka nanometrów pod powierzchnią. Z kolei powierzchnie zakończone wodorem- i fluorem-wprowadzają znacznie silniejszy szum magnetyczny-związany z powierzchnią, co drastycznie skraca czas koherencji.
„Jednak chociaż chemia zakończenia i orientacja fasetowa mają znaczenie, odkryliśmy, że to relaksacja-elektronów powierzchniowych i przeskakiwanie elektronów dominują w spójności płytkich NV” – powiedział Nagura.
„Spiny elektronów obecne na powierzchni oddziałują z tymi samymi impulsami laserowymi, które służą do manipulacji i odczytu centrum NV. Światło lasera może powodować zmiany stanu ładunku powierzchniowego, powodując przeskakiwanie niesparowanych elektronów między różnymi miejscami atomowymi. Ruch ten wytwarza dodatkowe-zmienne pola magnetyczne w czasie, które z kolei generują dodatkowy szum”.
Dzięki identyfikacji dominujących mikroskopijnych kanałów szumu badanie zapewnia plan działania na rzecz ulepszenia urządzeń kwantowych opartych na NV-, co ma bezpośrednie konsekwencje dla wykrywania kwantowego i przetwarzania informacji.
„Kiedy uwzględnimy ruch elektronów na powierzchni, teoria i eksperyment w końcu się zgadzają” – powiedział Nagura.
