A Chicagói Egyetem és az Argonne National Laboratory kutatói által vezetett új elméleti tanulmány azonosította azokat a mikroszkopikus mechanizmusokat, amelyek révén a gyémántfelületek befolyásolják a nitrogén{0}}vacance (NV) központok-a gyémánt hibáinak kvantumkoherenciáját, amelyek napjaink legérzékenyebb kvantumérzékelőinek alapját képezik. A tanulmány ben jelent megFizikai áttekintési anyagokés beválasztották a Szerkesztői javaslatok közé.
"Az egyik régóta fennálló{0}}kihívás az volt, hogy megértsük, miért veszítik el olyan gyorsan a sekély NV-központok koherenciáját" - mondta Giulia Galli, a Chicagói Egyetem Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) professzora és az Argonne National Laboratory vezető tudósa. "Az első -elvű felületi modellek kvantumdinamikai szimulációival való kombinálásával megértettük, hogy a dekoherencia bűnöse nem csak az, hogy melyik forgás él a gyémánt felületén, hanem az, hogy hogyan mozognak: a felületi zaj dinamikus."
A tanulmány eredményei világos, fizika alapú irányelveket adnak{0}} a gyémántfelületek tervezéséhez, amelyek segítenek megőrizni a kvantumkoherenciát, ami a kvantumérzékelés és a kialakulóban lévő kvantuminformációs technológiák kulcsfontosságú követelménye.
Az NV-központok a gyémánt atomi{0}skála-hibái, amelyek kvantum spin-állapotai szobahőmérsékleten inicializálhatók, szabályozhatók és optikailag kiolvashatók. A gyémántfelülethez közel helyezve az NV-központok rendkívül gyenge mágneses és elektromos jeleket képesek érzékelni molekulákból, anyagokból és biológiai rendszerekből. Ez a közelség azonban felszíni zajoknak, például ingadozó paramágneses hibáknak és töltési vagy elektromos-mezőzajnak is kitéve teszi őket, ami gyorsan rontja kvantumkoherenciájukat és korlátozza az érzékelő teljesítményét.
„A szakirodalomban a felszíni zaj eredetét gyakran „X spinnek” vagy „sötét spinnek” nevezik, mivel a zaj pontos mikroszkópos természetét nem ismerték, és optikailag inaktív helyekről származhat” – mondta az UChicago PME Ph.D. Jonah Nagura jelölt, a tanulmány vezető szerzője. "Kutatásunk segít pontosan meghatározni, hogy mi a zaj a felszínen, és meghatározza a zaj megszüntetésének útját, hogy fejlettebb, erősebb kvantumérzékelőket készítsünk."
Ebben a munkában a kutatók a gyémántfelületek sűrűség-funkcionális elméletén{0}} alapuló atomisztikus modelljeit kombinálták fejlett kvantumdekoherencia-szimulációkkal, hogy azonosítsák és elkülönítsék a domináns felületi zajmechanizmusokat.
"Az érzékelési alkalmazásokhoz szükséges gyémántfelületek gyártási folyamata során nemkívánatos felületi hibák keletkezhetnek, beleértve az úgynevezett lógó kötéseket" - mondta Nagura. "E hibák némelyike párosítatlan elektronokat, paramágneses spineket tartalmazhat, amelyek idővel ingadoznak, és mágneses zajt generálnak, amely megzavarja az NV-központot. Ez a zaj csökkentheti az NV koherenciáját, és elfedheti a mérni kívánt gyenge céljeleket."
A tanulmány azt mutatja, hogy a felület kémiai lezárásának módja mélyen befolyásolja az NV koherenciáját. Nagura számításai azt mutatták, hogy az oxigén- és nitrogén-végződésű felületek nagyrészt megőrzik a közeli-tömb koherenciát még a csak néhány nanométerrel a felszín alatt lévő NV-centrumok esetében is. Ezzel szemben a hidrogén- és fluor-végződésű felületek sokkal erősebb felületi-mágneses zajt okoznak, ami drasztikusan lerövidíti a koherenciaidőket.
"Azonban, bár a terminációs kémia és a facet orientáció számít, azt találtuk, hogy a felszíni -elektronok relaxációja és az ugrás uralja a sekély NV-k koherenciáját" - mondta Nagura.
"A felszínen jelenlévő elektron spinek ugyanazokkal a lézerimpulzusokkal lépnek kölcsönhatásba, amelyeket az NV-centrum manipulálására és kiolvasására használnak. A lézerfény megváltoztathatja a felületi töltési állapotot, ami párosítatlan elektronok ugrálását idézi elő a különböző atomi helyek között. Ez a mozgás további időbeli -változó mágneses mezőket hoz létre, amelyek viszont extra zajt generálnak."
A domináns mikroszkopikus zajcsatornák azonosításával a tanulmány útitervet ad az NV-alapú kvantumeszközök fejlesztéséhez, amely közvetlen hatással van a kvantumérzékelésre és az információfeldolgozásra.
"Miután figyelembe vesszük az elektronok mozgását a felszínen, az elmélet és a kísérlet végül felsorakozik" - mondta Nagura.
