Nova teorijska studija koju su vodili istraživači sa Univerziteta u Chicagu i Nacionalne laboratorije Argonne identificirali su mikroskopske mehanizme pomoću kojih površine dijamanata utječu na kvantnu koherentnost defekata dušikovih-centra za praznine (NV)-u dijamantu koji su u osnovi nekih od današnjih najosjetljivijih kvantnih senzora. Studija se pojavila uMaterijali za fizički pregledi izabran je za rad s prijedlogom urednika.
"Jedan dugotrajni-izazov je bilo razumijevanje zašto plitki NV centri tako brzo gube koherentnost," rekla je Giulia Galli, profesorica na Pritzker školi za molekularno inženjerstvo Univerziteta u Čikagu (UChicago PME) i viši naučnik u Argonne National Laboratory. "Kombiniranjem površinskih modela prvih-principa sa simulacijama kvantne dinamike, shvatili smo da krivac dekoherencije nije samo koji spinovi žive na površini dijamanta, već i način na koji se kreću: površinski šum je dinamičan."
Nalazi studije daju jasne, na fizici{0}}zasnovane smjernice za projektovanje dijamantskih površina koje pomažu u očuvanju kvantne koherentnosti, ključnog zahtjeva za kvantno otkrivanje i nove kvantne informacione tehnologije.
NV centri su defekti atomske{0}}razmjere u dijamantu čija se kvantna spinska stanja mogu inicijalizirati, kontrolirati i očitati optički na sobnoj temperaturi. Kada su postavljeni blizu površine dijamanta, NV centri mogu detektovati izuzetno slabe magnetske i električne signale od molekula, materijala i bioloških sistema. Ipak, ova blizina ih također izlaže površinskom{3}}šumu, kao što su fluktuirajući paramagnetni defekti i šum naelektrisanja ili električnog{4}}polja, koji brzo degradira njihovu kvantnu koherentnost i ograničava performanse senzora.
"U literaturi se porijeklo površinske buke često naziva 'X spinovi' ili 'tamni spinovi', jer precizna mikroskopska priroda buke nije shvaćena, a može proizaći iz optički neaktivnih mjesta", rekao je dr. sc. UChicago PME. kandidat Jonah Nagura, glavni autor studije. „Naše istraživanje pomaže da se tačno odredi šta je bučno na površini i postavlja put za eliminisanje buke kako bi se mogli stvoriti napredniji, snažniji kvantni senzori.“
U ovom radu, istraživači su kombinovali atomističke modele površina dijamanata zasnovane na teoriji funkcionalne gustine-s naprednim simulacijama kvantne dekoherencije kako bi identificirali i izolirali dominantne mehanizme površinske buke.
"Tokom procesa proizvodnje dijamantskih površina za primjenu senzora, mogu se stvoriti neželjeni površinski defekti, uključujući ono što nazivamo visećim vezama", rekao je Nagura. "Neki od ovih defekata mogu ugostiti nesparene elektrone, paramagnetne spinove koji fluktuiraju tokom vremena i stvaraju magnetni šum koji remeti NV centar. Taj šum može smanjiti koherenciju NV-a i može prikriti slabe ciljne signale koje se želi izmjeriti."
Studija pokazuje da način na koji je površina hemijski završena, ima dubok uticaj na NV koherentnost. Nagurine kalkulacije su pokazale da površine koje se završavaju kiseonikom- i azotom-u velikoj meri zadržavaju skoro{3}}koherentnost čak i za NV centre samo nekoliko nanometara ispod površine. Nasuprot tome, površine sa vodonikom- i fluorom-uvode mnogo jači magnetni šum povezan sa{7}}površinom, što drastično skraćuje vrijeme koherencije.
"Međutim, dok su kemija završetka i orijentacija faseta bitni, otkrili smo da su površinska{0}}relaksacija i skakanje elektrona ono što dominira koherentnošću plitkih NV-ova," rekao je Nagura.
"Spinovi elektrona prisutni na površini stupaju u interakciju s istim laserskim impulsima koji se koriste za manipulaciju i očitavanje NV centra. Lasersko svjetlo može pokrenuti promjene u stanju površinskog naboja, uzrokujući da nespareni elektroni skaču između različitih atomskih mjesta. To kretanje proizvodi dodatna vremenski{2}}promjenjiva magnetna polja koja zauzvrat stvaraju dodatnu buku."
Identifikovanjem dominantnih mikroskopskih kanala buke, studija pruža mapu puta za poboljšanje kvantnih uređaja zasnovanih na NV-u, sa direktnim implikacijama na kvantno sensing i obradu informacija.
"Kada uzmemo u obzir kretanje elektrona na površini, teorija i eksperiment se konačno slažu", rekao je Nagura.
