Jaunā teorētiskā pētījumā, ko vadīja Čikāgas Universitātes un Argonnas Nacionālās laboratorijas pētnieki, ir identificēti mikroskopiskie mehānismi, ar kuriem dimanta virsmas ietekmē slāpekļa -vakances (NV) centru-dimanta defektu kvantu koherenci, kas ir pamatā dažiem mūsdienu jutīgākajiem kvantu sensoriem. Pētījums ir parādījiesFiziskās apskates materiāliun tika izvēlēts par redaktoru ieteikumu rakstu.
"Viens ilgstošs{0}}problēmas ir bijis saprast, kāpēc sekli NV centri tik ātri zaudē saskaņotību," sacīja Džūlija Galli, Čikāgas Universitātes Prickera Molekulārās inženierijas skolas (UChicago PME) profesore un Argonnas Nacionālās laboratorijas vecākā zinātniece. "Apvienojot pirmo-principu virsmas modeļus ar kvantu dinamikas simulācijām, mēs sapratām, ka dekoherences vaininieks ir ne tikai tas, kuri spini dzīvo uz dimanta virsmas, bet arī tas, kā tie pārvietojas: virsmas troksnis ir dinamisks."
Pētījuma atklājumi sniedz skaidras, uz fiziku balstītas vadlīnijas dimanta virsmu izstrādei, kas palīdz saglabāt kvantu saskaņotību, kas ir galvenā prasība kvantu uztveršanai un jaunām kvantu informācijas tehnoloģijām.
NV centri ir dimanta atomu{0} mēroga defekti, kuru kvantu griešanās stāvokļus var inicializēt, kontrolēt un nolasīt optiski istabas temperatūrā. Novietojot tuvu dimanta virsmai, NV centri var noteikt ārkārtīgi vājus magnētiskos un elektriskos signālus no molekulām, materiāliem un bioloģiskām sistēmām. Tomēr šis tuvums tos pakļauj arī ar virsmas -saistītiem trokšņiem, piemēram, svārstīgiem paramagnētiskiem defektiem un lādiņa vai elektriskā-lauka trokšņiem, kas strauji pasliktina to kvantu saskaņotību un ierobežo sensora veiktspēju.
"Literatūrā virsmas trokšņa izcelsme bieži tiek saukta par" X griezieniem" vai "tumšajiem griezieniem", jo nebija saprotams precīzs trokšņa mikroskopiskais raksturs, un tas var rasties no optiski neaktīvām vietām," sacīja UChicago PME Ph.D. kandidāts Jonah Nagura, pētījuma vadošais autors. "Mūsu pētījumi palīdz precīzi noteikt, kas ir trokšņains uz virsmas, un nosaka ceļu trokšņa novēršanai, lai varētu izveidot modernākus, jaudīgākus kvantu sensorus."
Šajā darbā pētnieki apvienoja uz blīvuma funkcionālo teoriju{0}}balstītu dimanta virsmu atomistiskos modeļus ar uzlabotām kvantu dekoherences simulācijām, lai identificētu un izolētu dominējošos virsmas trokšņu mehānismus.
"Dimanta virsmu izgatavošanas procesā, lai uztvertu lietojumus, var rasties nevēlami virsmas defekti, tostarp tas, ko mēs saucam par karājošām saitēm," sacīja Nagura. "Daži no šiem defektiem var uzņemt nepāra elektronus, paramagnētiskus griezienus, kas laika gaitā svārstās un rada magnētisku troksni, kas traucē NV centru. Šis troksnis var samazināt NV saskaņotību un var aizēnot vājos mērķa signālus, kurus vēlaties izmērīt."
Pētījums parāda, ka veids, kā virsma tiek ķīmiski izbeigta, būtiski ietekmē NV saskaņotību. Naguras aprēķini parādīja, ka virsmas ar skābekli - un slāpekli- lielā mērā saglabā gandrīz-masas koherenci pat NV centriem, kas atrodas tikai dažus nanometrus zem virsmas. Turpretim virsmas ar ūdeņraža- un fluora-galiem rada daudz spēcīgāku virsmu-saistītu magnētisko troksni, kas krasi saīsina koherences laiku.
"Tomēr, lai gan terminācijas ķīmijai un aspektu orientācijai ir nozīme, mēs atklājām, ka virspusējo -elektronu relaksācija un lēciens dominē seklo NV saskaņotībā," sacīja Nagura.
"Virspusē esošie elektronu spini mijiedarbojas ar tiem pašiem lāzera impulsiem, kas tiek izmantoti, lai manipulētu ar NV centru un nolasītu to. Lāzera gaisma var izraisīt izmaiņas virsmas lādiņa stāvoklī, izraisot nepāra elektronu lēcienu starp dažādām atomu vietām. Šī kustība rada papildu laika -atšķirīgus magnētiskos laukus, kas savukārt rada papildu troksni."
Nosakot dominējošos mikroskopisko trokšņu kanālus, pētījums sniedz ceļvedi uz NV{0}} balstītu kvantu ierīču uzlabošanai, kas tieši ietekmē kvantu uztveršanu un informācijas apstrādi.
"Kad mēs ņemam vērā elektronu kustību uz virsmas, teorija un eksperiments beidzot sakrīt," sacīja Nagura.
