Un nou studiu teoretic condus de cercetătorii de la Universitatea din Chicago și de la Laboratorul Național Argonne a identificat mecanismele microscopice prin care suprafețele diamantelor afectează coerența cuantică a defectelor centrelor-vacante de azot (NV)-din diamant care stau la baza unora dintre cei mai sensibili senzori cuantici de astăzi. Studiul a apărut înMateriale de evaluare fizicăși a fost selectat pentru a fi o lucrare de sugestie a editorilor.
„O provocare-de lungă durată a fost înțelegerea de ce centrele NV superficiale își pierd coerența atât de repede”, a spus Giulia Galli, profesor la Universitatea din Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) și om de știință senior la Argonne National Laboratory. „Combinând primele-principii modele de suprafață cu simulări de dinamică cuantică, am înțeles că vinovatul decoerenței nu este doar roțile care trăiesc pe suprafața diamantului, ci și modul în care se mișcă: zgomotul de suprafață este dinamic.”
Descoperirile studiului furnizează linii directoare clare, bazate pe fizică-, pentru proiectarea suprafețelor de diamant, care ajută la păstrarea coerenței cuantice, o cerință cheie pentru detectarea cuantică și tehnologiile informaționale cuantice emergente.
Centrii NV sunt defecte la scară{0}}atomică ale diamantului ale căror stări de spin cuantic pot fi inițializate, controlate și citite optic la temperatura camerei. Când sunt plasate aproape de o suprafață de diamant, centrele NV pot detecta semnale magnetice și electrice extrem de slabe de la molecule, materiale și sisteme biologice. Cu toate acestea, această proximitate îi expune și la zgomotul-de suprafață, cum ar fi defecte paramagnetice fluctuante și zgomot de sarcină sau de câmp electric-, care le degradează rapid coerența cuantică și limitează performanța senzorului.
„În literatura de specialitate, originile zgomotului de suprafață au fost adesea numite „rotiri X” sau „rotiri întunecate”, deoarece natura microscopică precisă a zgomotului nu a fost înțeleasă și poate proveni din locuri inactive din punct de vedere optic”, a spus UChicago PME Ph.D. candidatul Jonah Nagura, autorul principal al studiului. „Cercetarea noastră ajută la identificarea exactă a ceea ce este zgomotos la suprafață și stabilește o cale pentru eliminarea zgomotului, astfel încât cineva să poată crea senzori cuantici mai avansați și mai puternici.”
În această lucrare, cercetătorii au combinat modelele atomiste bazate pe teoria funcțională a densității-de suprafețe de diamant cu simulări avansate de decoerență cuantică pentru a identifica și izola mecanismele dominante ale zgomotului de suprafață.
„În timpul procesului de fabricare a suprafețelor de diamant pentru aplicații de detectare, pot fi create defecte de suprafață nedorite, inclusiv ceea ce numim legături suspendate”, a spus Nagura. „Unele dintre aceste defecte pot găzdui electroni nepereche, spinuri paramagnetice care fluctuează în timp și generează zgomot magnetic care perturbă centrul NV. Acest zgomot poate reduce coerența NV și poate întuneca semnalele țintă slabe pe care se dorește să le măsoare”.
Studiul arată că modul în care suprafața este terminată chimic are un impact profund asupra coerenței NV. Calculele lui Nagura au arătat că suprafețele terminate cu oxigen- și azot-și păstrează în mare măsură coerența aproape-în vrac chiar și pentru centrele NV la doar câțiva nanometri sub suprafață. În schimb, suprafețele terminate cu hidrogen- și fluor-introduc zgomot magnetic mult mai puternic legat de suprafață-, care scurtează drastic timpii de coerență.
„Cu toate acestea, în timp ce chimia de terminare și orientarea fațetelor contează, am descoperit că relaxarea electronilor de suprafață-și saltul domină coerența NV-urilor superficiale”, a spus Nagura.
„Spinurile electronilor prezente la suprafață interacționează cu aceleași impulsuri laser care sunt folosite pentru a manipula și a citi centrul NV. Lumina laser poate determina schimbări în starea de încărcare a suprafeței, determinând electronii nepereche să sară între diferite site-uri atomice. Această mișcare produce câmpuri magnetice care variază în timp suplimentar, care la rândul lor generează zgomot suplimentar.”
Prin identificarea canalelor de zgomot microscopice dominante, studiul oferă o foaie de parcurs pentru îmbunătățirea dispozitivelor cuantice bazate pe NV-, cu implicații directe pentru detectarea cuantică și procesarea informațiilor.
„Odată ce luăm în considerare mișcarea electronilor la suprafață, teoria și experimentul se aliniază în sfârșit”, a spus Nagura.
