Mørke spins kan øge ydeevnen af ​​diamantbaserede kvanteenheder

Ydeevnen af ​​nogle kvanteteknologier kan øges ved at udnytte interaktioner mellem nitrogen-vacancy (NV) centre og defekter på overfladen af ​​diamant - ifølge forskning udført af to uafhængige hold af videnskabsmænd i USA.

NV-centre i diamant er dukket op som en lovende solid-state platform for kvanteregistrering og informationsbehandling. De er defekter i diamantgitteret, hvor to carbonatomer er erstattet med et enkelt nitrogenatom, hvilket efterlader et gittersted ledigt. NV-centre er et to-niveaus spin-system, hvori kvanteinformation kan skrives og udlæses ved hjælp af laserlys og mikrobølger. En vigtig egenskab ved NV-centre er, at når de først er blevet sat i en specifik kvantetilstand, kan de forblive i den tilstand i en relativt lang "kohærens"-tid - hvilket gør dem teknologisk nyttige.

Meget følsom

NV-centre er meget følsomme over for magnetiske felter, hvilket betyder, at de kan bruges til at skabe højtydende magnetfeltsensorer til en lang række applikationer. Denne følsomhed har dog sin ulempe, fordi kilder til magnetisk støj kan forringe ydeevnen af ​​NV-centre.

En kilde til magnetisk støj er interaktionerne mellem NV-centre og spins af uparrede elektroner på overfladen af ​​diamant. Disse spins kan ikke detekteres ved hjælp af optiske teknikker, så de omtales som "dark spins".

Når de interagerer med NV-centre, kan mørke spin ødelægge kvanteinformation, der er lagret i et NV-center, eller reducere ydeevnen af ​​NV-baserede sensorer. Sådanne interaktioner kan minimeres ved at bruge NV-centre, der er dybere inde i hovedparten af ​​diamanten. Men denne løsning gør det sværere at bruge dem til at fornemme magnetiske felter over meget korte længdeskalaer - noget, der er nyttigt til at studere individuelle spins, kerner eller molekyler.

Teknologisk nyttig

På grund af vanskeligheden ved at opdage mørke spins, er deres adfærd for det meste forblevet et mysterium. Tidligere undersøgelser har dog vist, at mørke spins har lange kohærenstider, hvilket kan gøre dem nyttige i kvanteteknologier.

Begge hold undersøgte interaktioner mellem NV-centre og mørke spins ved hjælp af dobbelt elektron-elektron resonans (DEER). Dette er en teknik, der bestemmer afstanden mellem par af elektronspin ved at anvende mikrobølgeimpulser til begge samtidigt.

Et hold ledet af Nathalie de Leon ved Princeton University brugte DEER-målinger til at udvikle en model for, hvordan NV-centerkohærenstider varierer med deres dybde under diamantens overflade. Holdet opdagede også, at de mørke spins ikke er statiske, men i stedet "hop" mellem steder på overfladen. Disse opdagelser tyder på, at NV-baserede teknologier kunne optimeres ved at vælge en passende dybde til NV-centrene – og ved at udvikle måder til at kontrollere hoppet af mørke spins.

Kemisk dampaflejring

Imens et hold ledet af Norman Yao ved University of California brugte Berkeley lignende teknikker til at udforske, hvordan NV-centre interagerer med en anden type mørk spin kaldet P1s. Disse blev skabt på en diamantoverflade ved kemisk dampaflejring af nitrogen.

Diamantkvanterevolutionen

I et eksperiment forberedte forskerne et tyndt befolket bad af P1'er, så gensidige interaktioner mellem NV-centre dominerede over P1'ernes indflydelse. I dette tilfælde kunne de bruge mikrobølgeimpulser til selektivt at afkoble NV-centrene enten fra hinanden eller fra urenhederne. Denne undersøgelse afslørede, at i dette tilfælde dominerede interaktioner mellem NV-centre dekohærensprocessen, snarere end interaktioner mellem NV-centre og P1'erne.

Men da Yao og kolleger forberedte et tættere bad af P1'er, kunne de bruge interaktionerne til at udveksle kvanteinformation mellem NV-centrene og P1'erne. Dette rige kvantemiljø kan være særligt nyttigt til at udføre kvantesimuleringer, der involverer mange interagerende spins - inklusive komplekse biomolekyler og eksotiske tilstande af stof.

Yaos team beskriver sit arbejde i en papir på arXiv der er godkendt til offentliggørelse i Naturfysik. De Leon og kolleger præsenterer deres resultater i Fysisk gennemgang X.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/