Ново теоретично проучване, ръководено от изследователи от Чикагския университет и Националната лаборатория в Аргон, идентифицира микроскопичните механизми, чрез които диамантените повърхности влияят върху квантовата кохерентност на азотните -вакантни центрове (NV)-дефекти в диаманта, които са в основата на някои от днешните най-чувствителни квантови сензори. Проучването се появи вМатериали за физически прегледи беше избран да бъде документ за предложение на редакторите.
„Едно дълго{0}}предизвикателство беше да разберем защо плитките NV центрове губят кохерентност толкова бързо“, каза Джулия Гали, професор в Училището по молекулярно инженерство Pritzker на Чикагския университет (UChicago PME) и старши учен в Националната лаборатория в Аргон. „Чрез комбинирането на повърхностните модели на първите- принципи със симулации на квантовата динамика разбрахме, че причината за декохерентността не е само това кои завъртания живеят върху повърхността на диаманта, но как се движат: повърхностният шум е динамичен.“
Констатациите от проучването предоставят ясни,-базирани на физиката насоки за проектиране на диамантени повърхности, които спомагат за запазването на квантовата кохерентност, ключово изискване за квантовото усещане и нововъзникващите квантови информационни технологии.
NV центровете са атомни -мащабни дефекти в диаманта, чиито квантови спинови състояния могат да бъдат инициализирани, контролирани и прочетени оптично при стайна температура. Когато се поставят близо до диамантена повърхност, NV центровете могат да открият изключително слаби магнитни и електрически сигнали от молекули, материали и биологични системи. И все пак тази близост ги излага и на повърхностен-свързан шум, като флуктуиращи парамагнитни дефекти и заряд или шум от електрическо-поле, което бързо влошава тяхната квантова кохерентност и ограничава производителността на сензора.
„В литературата произходът на повърхностния шум често се нарича „X завъртания“ или „тъмни завъртания“, тъй като точната микроскопична природа на шума не беше разбрана и може да произтича от оптически неактивни места“, каза докторът на UChicago PME. кандидат Джона Нагура, водещ автор на изследването. „Нашето изследване помага да се определи точно какво е шумно на повърхността и определя пътя за елиминиране на шума, така че да може да се създадат по-усъвършенствани, мощни квантови сензори.“
В тази работа изследователите комбинираха базирани на теорията за функционалната плътност -атомистични модели на диамантени повърхности с усъвършенствани симулации на квантова декохерентност, за да идентифицират и изолират доминиращите механизми на повърхностния шум.
„По време на процеса на производство на диамантени повърхности за сензорни приложения могат да се създадат нежелани повърхностни дефекти, включително това, което наричаме висящи връзки“, каза Нагура. "Някои от тези дефекти могат да приемат несдвоени електрони, парамагнитни завъртания, които се колебаят с течение на времето и генерират магнитен шум, който смущава NV центъра. Този шум може да намали кохерентността на NV и може да скрие слабите целеви сигнали, които човек иска да измери."
Проучването показва, че начинът, по който повърхността е химически прекратена, има дълбоко въздействие върху NV кохерентността. Изчисленията на Nagura показаха, че крайните повърхности с кислород- и азот-до голяма степен запазват почти-обемна кохерентност дори за NV центрове само на няколко нанометра под повърхността. Обратно, повърхностите, завършващи с водород- и флуор-, въвеждат много по-силен повърхностен-магнитен шум, който драстично скъсява времето на кохерентност.
„Въпреки че химията на прекъсване и ориентацията на фасетите имат значение, ние открихме, че повърхностната{0}}електронна релаксация и прескачане са тези, които доминират кохерентността на плитките НВ“, каза Нагура.
„Електронните завъртания, присъстващи на повърхността, взаимодействат със същите лазерни импулси, които се използват за манипулиране и четене на NV центъра. Лазерната светлина може да предизвика промени в състоянието на повърхностния заряд, карайки несдвоени електрони да прескачат между различни атомни места. Това движение произвежда допълнителни време-променливи магнитни полета, които на свой ред генерират допълнителен шум.“
Чрез идентифициране на доминиращите микроскопични шумови канали, проучването предоставя пътна карта за подобряване на NV-базираните квантови устройства, с пряко отражение върху квантовото отчитане и обработката на информация.
„След като отчетем движението на електрони на повърхността, теорията и експериментът най-накрая се подреждат“, каза Нагура.
