Nova teoretična študija, ki so jo vodili raziskovalci Univerze v Chicagu in Nacionalnega laboratorija Argonne, je identificirala mikroskopske mehanizme, s katerimi diamantne površine vplivajo na kvantno koherenco dušikovih-centrov za prazna mesta (NV)-defektov v diamantu, ki so osnova nekaterih današnjih najbolj občutljivih kvantnih senzorjev. Študija se je pojavila vMateriali za fizični pregledin je bil izbran za članek s predlogi urednikov.
»Eden- dolgoletnih izzivov je bilo razumevanje, zakaj plitvi NV centri tako hitro izgubijo koherenco,« je povedala Giulia Galli, profesorica na Univerzi v Chicagu Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) in višja znanstvenica v Argonne National Laboratory. "S kombinacijo površinskih modelov prvih- principov s simulacijami kvantne dinamike smo ugotovili, da krivec za dekoherenco ni le to, kateri vrtljaji živijo na površini diamanta, ampak kako se premikajo: površinski šum je dinamičen."
Ugotovitve študije zagotavljajo jasne,-na fiziki temelječe smernice za inženiring diamantnih površin, ki pomagajo ohranjati kvantno koherenco, ključno zahtevo za kvantno zaznavanje in nastajajoče kvantne informacijske tehnologije.
Centri NV so atomske-napake v diamantu, katerih kvantna spinska stanja je mogoče inicializirati, nadzorovati in optično odčitati pri sobni temperaturi. Ko so NV centri nameščeni blizu površine diamanta, lahko zaznajo izjemno šibke magnetne in električne signale iz molekul, materialov in bioloških sistemov. Vendar so zaradi te bližine izpostavljeni tudi -šumu, povezanemu s površino, kot so nihajoče paramagnetne napake in šum naboja ali-električnega polja, ki hitro poslabša njihovo kvantno koherenco in omejuje delovanje senzorja.
"V literaturi so izvore površinskega hrupa pogosto imenovali" vrtenja X "ali" temna vrtenja ", ker natančna mikroskopska narava hrupa ni bila razumljena in lahko izvira iz optično neaktivnih mest," je dejal doktor znanosti UChicago PME. kandidat Jonah Nagura, glavni avtor študije. "Naše raziskave pomagajo natančno določiti, kaj je hrupno na površini, in določijo pot za odpravo hrupa, tako da lahko ustvarimo naprednejše, zmogljive kvantne senzorje."
V tem delu so raziskovalci združili atomistične modele diamantnih površin-, ki temeljijo na teoriji funkcionalnosti gostote, z naprednimi simulacijami kvantne dekoherence, da bi identificirali in izolirali prevladujoče mehanizme površinskega šuma.
"Med postopkom izdelave diamantnih površin za aplikacije zaznavanja se lahko ustvarijo neželene površinske napake, vključno s tem, kar imenujemo viseče vezi," je dejal Nagura. "Nekatere od teh napak lahko gostijo neparne elektrone, paramagnetne vrtljaje, ki nihajo skozi čas in ustvarjajo magnetni šum, ki moti središče NV. Ta šum lahko zmanjša koherenco NV in lahko zakrije šibke ciljne signale, ki jih želimo izmeriti."
Študija kaže, da ima način, kako je površina kemično zaključena, velik vpliv na NV koherenco. Nagurini izračuni so pokazali, da s kisikom- in dušikom-terminirane površine večinoma ohranjajo skoraj-skupno koherenco celo za NV središča le nekaj nanometrov pod površino. Nasprotno pa vodikove- in fluorove-terminirane površine ustvarjajo veliko močnejši površinski-povezani magnetni šum, ki drastično skrajša koherentne čase.
"Čeprav sta zaključna kemija in orientacija faset pomembni, smo ugotovili, da površinska{0}}elektronska relaksacija in skakanje prevladujeta v koherenci plitvih NV," je dejal Nagura.
"Vrtljaji elektronov, ki so prisotni na površini, medsebojno delujejo z istimi laserskimi impulzi, ki se uporabljajo za manipulacijo in branje središča NV. Laserska svetloba lahko povzroči spremembe v stanju površinskega naboja, kar povzroči, da nesparjeni elektroni skačejo med različnimi atomskimi mesti. To gibanje proizvaja dodatna časovno-variirajoča magnetna polja, ki nato ustvarjajo dodaten šum."
Z identifikacijo prevladujočih kanalov mikroskopskega hrupa študija zagotavlja načrt za izboljšanje kvantnih naprav, ki temeljijo na NV-, z neposrednimi posledicami za kvantno zaznavanje in obdelavo informacij.
"Ko upoštevamo gibanje elektronov na površini, se teorija in eksperiment končno ujemata," je dejal Nagura.
