Нове теоретичне дослідження під керівництвом дослідників із Чиказького університету та Аргонської національної лабораторії визначило мікроскопічні механізми, за допомогою яких алмазні поверхні впливають на квантову когерентність азотних-вакансійних (NV) центрів-дефектів у алмазі, які лежать в основі деяких із найчутливіших сучасних квантових датчиків. Дослідження з’явилося вМатеріали фізичного оглядуі був обраний як документ для пропозицій редакторів.
«Однією -давньою проблемою було зрозуміти, чому неглибокі NV-центри так швидко втрачають когерентність», — сказала Джулія Галлі, професор Прітцкерівської школи молекулярної інженерії Чиказького університету (UChicago PME) і старший науковий співробітник Аргонської національної лабораторії. «Поєднавши першо{2}}моделі поверхні з моделюванням квантової динаміки, ми зрозуміли, що причиною декогеренції є не лише те, які оберти живуть на алмазній поверхні, а те, як вони рухаються: поверхневий шум є динамічним».
Результати дослідження містять чіткі,-основані на фізиці вказівки щодо створення алмазних поверхонь, які допомагають зберегти квантову когерентність, ключову вимогу для квантового зондування та нових квантових інформаційних технологій.
NV-центри – це атомні -дефекти в алмазі, квантові спінові стани яких можна ініціалізувати, контролювати та зчитувати оптично за кімнатної температури. При розміщенні поблизу алмазної поверхні NV-центри можуть виявляти надзвичайно слабкі магнітні та електричні сигнали від молекул, матеріалів і біологічних систем. Однак ця близькість також піддає їх впливу поверхневого-шуму, наприклад флуктуаційних парамагнітних дефектів і шуму заряду або-електричного поля, який швидко погіршує їхню квантову когерентність і обмежує продуктивність датчика.
«У літературі джерело поверхневого шуму часто називають «х-спінами» або «темними спинами», оскільки точна мікроскопічна природа шуму не була зрозуміла, і він може походити від оптично неактивних ділянок», — сказав доктор філософії UChicago PME. кандидат Джона Нагура, провідний автор дослідження. «Наше дослідження допомагає визначити, що саме шумить на поверхні, і встановлює шлях для усунення шуму, щоб можна було створювати більш просунуті, потужні квантові датчики».
У цій роботі дослідники об’єднали атомістичні моделі алмазних поверхонь-на основі теорії функціоналу густини з розширеним моделюванням квантової декогеренції, щоб ідентифікувати та виокремити домінуючі механізми поверхневого шуму.
«Під час виготовлення алмазних поверхонь для зондування можуть утворюватися небажані дефекти поверхні, включаючи те, що ми називаємо звисаючими зв’язками», — сказав Нагура. «Деякі з цих дефектів можуть приймати неспарені електрони, парамагнітні спіни, які коливаються з часом і генерують магнітний шум, який збурює центр NV. Цей шум може зменшити когерентність NV і може затемнювати слабкі цільові сигнали, які потрібно виміряти».
Дослідження показує, що спосіб хімічного завершення поверхні має глибокий вплив на когерентність NV. Розрахунки Наґури показали, що на кінцевих поверхнях із киснем- і азотом-в основному зберігається майже{3}}об’ємна когерентність навіть для NV-центрів лише на кілька нанометрів нижче поверхні. Навпаки, поверхні з воднем- і фтором-запроваджують набагато сильніший поверхневий-магнітний шум, який різко скорочує час когерентності.
«Однак, хоча хімія обриву та орієнтація граней мають значення, ми виявили, що поверхнева-електронна релаксація та стрибок домінують у когерентності неглибоких НВ», — сказав Нагура.
«Спини електронів, присутні на поверхні, взаємодіють із тими самими лазерними імпульсами, які використовуються для керування та зчитування центру NV. Лазерне світло може спричиняти зміни в стані поверхневого заряду, змушуючи неспарені електрони стрибати між різними атомними ділянками. Цей рух створює додаткові-магнітні поля, що змінюються в часі, які, у свою чергу, створюють додатковий шум».
Визначаючи домінуючі канали мікроскопічного шуму, дослідження дає дорожню карту для вдосконалення квантових пристроїв на основі NV-, що має прямі наслідки для квантового зондування та обробки інформації.
«Як тільки ми врахуємо рух електронів на поверхні, теорія та експеримент нарешті збігаються», — сказав Нагура.
