Nová teoretická štúdia vedená výskumníkmi z Chicagskej univerzity a Argonne National Laboratory identifikovala mikroskopické mechanizmy, ktorými povrchy diamantov ovplyvňujú kvantovú koherenciu defektov v -centrách voľných miest dusíka (NV)- v diamante, ktoré sú základom niektorých dnešných najcitlivejších kvantových senzorov. Štúdia sa objavila vMateriály na fyzické preskúmaniea bol vybraný ako príspevok pre redakciu.
„Jednou dlhodobou{0}}výzvou bolo pochopiť, prečo plytké centrá NV tak rýchlo strácajú súdržnosť,“ povedala Giulia Galli, profesorka Pritzkerovej školy molekulárneho inžinierstva na Chicagskej univerzite (UChicago PME) a vedúca vedkyňa z Argonne National Laboratory. „Kombináciou prvých-princípov povrchových modelov so simuláciami kvantovej dynamiky sme pochopili, že vinníkom dekoherencie nie je len to, ktoré rotácie na povrchu diamantu žijú, ale aj to, ako sa pohybujú: povrchový šum je dynamický.“
Zistenia štúdie poskytujú jasné, fyzikálne{0}}pokyny pre inžinierske povrchy diamantov, ktoré pomáhajú zachovať kvantovú koherenciu, kľúčovú požiadavku pre kvantové snímanie a vznikajúce kvantové informačné technológie.
Centrá NV sú defekty atómovej{0}}škály v diamante, ktorých stavy kvantovej rotácie možno inicializovať, ovládať a opticky odčítať pri izbovej teplote. Keď sú NV centrá umiestnené blízko diamantového povrchu, dokážu detekovať extrémne slabé magnetické a elektrické signály z molekúl, materiálov a biologických systémov. Táto blízkosť ich však vystavuje aj povrchovému-hluku súvisiacemu s povrchom, ako sú kolísavé paramagnetické defekty a náboj alebo šum elektrického-pola, ktorý rýchlo zhoršuje ich kvantovú koherenciu a obmedzuje výkon snímača.
"V literatúre sa pôvod povrchového šumu často nazýva 'X spiny' alebo 'dark spins', pretože presná mikroskopická povaha hluku nebola pochopená a môže pochádzať z opticky neaktívnych miest," povedal UChicago PME Ph.D. kandidát Jonah Nagura, hlavný autor štúdie. "Náš výskum pomáha presne určiť, čo je na povrchu hlučné, a stanovuje cestu na elimináciu hluku, aby bolo možné vytvoriť pokročilejšie a výkonnejšie kvantové senzory."
V tejto práci výskumníci skombinovali atomistické modely diamantových povrchov-založené na teórii hustoty s pokročilými simuláciami kvantovej dekoherencie, aby identifikovali a izolovali dominantné mechanizmy povrchového šumu.
"Počas procesu výroby diamantových povrchov na snímanie aplikácií sa môžu vytvoriť nežiaduce povrchové defekty, vrátane toho, čo nazývame visiace väzby, " povedal Nagura. "Niektoré z týchto defektov môžu hostiť nepárové elektróny, paramagnetické spiny, ktoré v priebehu času kolíšu a generujú magnetický šum, ktorý ruší centrum NV. Tento šum môže znížiť koherenciu NV a môže zakryť slabé cieľové signály, ktoré chceme merať."
Štúdia ukazuje, že spôsob, akým je povrch chemicky ukončený, má hlboký vplyv na koherenciu NV. Nagurove výpočty ukázali, že povrchy zakončené kyslíkom- a dusíkom-vo veľkej miere zachovávajú takmer-hromadnú koherenciu aj pre centrá NV len niekoľko nanometrov pod povrchom. Naproti tomu povrchy zakončené vodíkom- a fluórom-vytvárajú oveľa silnejší magnetický šum súvisiaci s povrchom-, ktorý drasticky skracuje časy koherencie.
„Avšak aj keď na chémii zakončenia a orientácii fazety záleží, zistili sme, že koherencii plytkých NV dominuje povrchová-elektrónová relaxácia a skoky,“ povedal Nagura.
"Elektrónové rotácie prítomné na povrchu interagujú s rovnakými laserovými impulzmi, ktoré sa používajú na manipuláciu a čítanie centra NV. Laserové svetlo môže riadiť zmeny stavu povrchového nabitia, čo spôsobuje, že nespárované elektróny preskakujú medzi rôznymi atómovými miestami. Tento pohyb vytvára dodatočný čas-premenlivé magnetické polia, ktoré zase generujú dodatočný šum."
Identifikáciou dominantných kanálov mikroskopického šumu štúdia poskytuje plán na zlepšenie kvantových zariadení založených na NV-, s priamymi dôsledkami pre kvantové snímanie a spracovanie informácií.
"Keď vezmeme do úvahy pohyb elektrónov na povrchu, teória a experiment sa konečne zoradia," povedal Nagura.
