Новое теоретическое исследование, проведенное учеными из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории, выявило микроскопические механизмы, с помощью которых поверхности алмаза влияют на квантовую когерентность азотных -вакансионных центров (NV)-дефектов в алмазе, которые лежат в основе некоторых из наиболее чувствительных сегодня квантовых датчиков. Исследование появилось вМатериалы физического обзораи был выбран в качестве статьи по предложениям редакции.
«Одной-давней проблемой было понимание того, почему мелкие NV-центры так быстро теряют когерентность», — сказала Джулия Галли, профессор Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. «Объединив модели поверхности из первых-принципов с моделированием квантовой динамики, мы поняли, что виновником декогеренции является не только то, какие спины живут на поверхности алмаза, но и то, как они движутся: поверхностный шум динамичен».
Результаты исследования дают четкие,-основанные на физике рекомендации по проектированию алмазных поверхностей, которые помогают сохранить квантовую когерентность, что является ключевым требованием для квантового зондирования и новых квантовых информационных технологий.
NV-центры — это дефекты атомного-масштаба в алмазе, квантовые спиновые состояния которых можно инициализировать, контролировать и считывать оптически при комнатной температуре. При размещении вблизи поверхности алмаза NV-центры могут обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные и электрические сигналы от молекул, материалов и биологических систем. Однако эта близость также подвергает их воздействию шума, связанного с поверхностью-, такого как флуктуирующие парамагнитные дефекты и шум заряда или электрического-поля, который быстро ухудшает их квантовую когерентность и ограничивает производительность датчиков.
«В литературе источники поверхностного шума часто называют «X-спинами» или «темными спинами», поскольку точная микроскопическая природа шума не была понята, и он может происходить из оптически неактивных участков», — сказал доктор философии PME Университета Чикаго в Чикаго. кандидат Джона Нагура, ведущий автор исследования. «Наше исследование помогает точно определить, что именно шумит на поверхности, и прокладывает путь к устранению шума, чтобы можно было создать более совершенные и мощные квантовые датчики».
В этой работе исследователи объединили атомистические модели алмазных поверхностей, основанные на теории функционала плотности-, с передовым моделированием квантовой декогерентности, чтобы идентифицировать и изолировать доминирующие механизмы поверхностного шума.
«В процессе изготовления алмазных поверхностей для сенсорных приложений могут быть созданы нежелательные поверхностные дефекты, в том числе то, что мы называем оборванными связями», — сказал Нагура. «Некоторые из этих дефектов могут содержать неспаренные электроны, парамагнитные спины, которые колеблются со временем и генерируют магнитный шум, который возмущает центр NV. Этот шум может снизить когерентность NV и скрыть слабые сигналы цели, которые нужно измерить».
Исследование показывает, что способ химического завершения поверхности оказывает глубокое влияние на когерентность NV. Расчеты Нагуры показали, что поверхности, оканчивающиеся кислородом- и азотом-, в значительной степени сохраняют почти-объемную когерентность даже для NV-центров, находящихся всего на несколько нанометров ниже поверхности. Напротив, поверхности с концевыми группами водорода- и фтора-вносят гораздо более сильный поверхностный-магнитный шум, который резко сокращает время когерентности.
«Однако, хотя химия терминации и ориентация граней действительно имеют значение, мы обнаружили, что именно релаксация и перескок поверхностных-электронов доминируют в когерентности мелких NV», — сказал Нагура.
«Спины электронов, присутствующие на поверхности, взаимодействуют с теми же лазерными импульсами, которые используются для манипулирования и считывания NV-центра. Лазерный свет может вызывать изменения в состоянии поверхностного заряда, заставляя неспаренные электроны прыгать между разными атомными позициями. Это движение создает дополнительные -изменяющиеся во времени магнитные поля, которые, в свою очередь, генерируют дополнительный шум».
Выявив доминирующие каналы микроскопического шума, исследование представляет собой дорожную карту для улучшения квантовых устройств на основе NV-, что имеет прямое значение для квантового зондирования и обработки информации.
«Как только мы объясним движение электронов на поверхности, теория и эксперимент наконец-то совпадут», — сказал Нагура.
