Dunkle Spins könnten die Leistung von diamantbasierten Quantengeräten steigern

Die Leistung einiger Quantentechnologien könnte durch die Ausnutzung von Wechselwirkungen zwischen Stickstoff-Leerstellen (NV)-Zentren und Defekten auf der Diamantoberfläche gesteigert werden – so die von zwei unabhängigen Wissenschaftlerteams in den USA durchgeführte Forschung.

NV-Zentren in Diamant haben sich als vielversprechende Festkörperplattform für die Quantensensorik und Informationsverarbeitung herauskristallisiert. Sie sind Defekte im Diamantgitter, bei denen zwei Kohlenstoffatome durch ein einzelnes Stickstoffatom ersetzt werden, wodurch ein Gitterplatz frei bleibt. NV-Zentren sind ein zweistufiges Spinsystem, in das Quanteninformationen mit Laserlicht und Mikrowellen eingeschrieben und ausgelesen werden können. Eine wichtige Eigenschaft von NV-Zentren ist, dass sie, wenn sie einmal in einen bestimmten Quantenzustand versetzt wurden, für eine relativ lange „Kohärenz“-Zeit in diesem Zustand bleiben können – was sie technologisch nutzbar macht.

Sehr empfindlich

NV-Zentren reagieren sehr empfindlich auf Magnetfelder, was bedeutet, dass sie zur Herstellung von Hochleistungs-Magnetfeldsensoren für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden können. Diese Empfindlichkeit hat jedoch ihre Kehrseite, da magnetische Rauschquellen die Leistung von NV-Zentren beeinträchtigen können.

Eine Quelle für magnetisches Rauschen sind die Wechselwirkungen zwischen NV-Zentren und den Spins ungepaarter Elektronen auf der Oberfläche von Diamant. Diese Spins können mit optischen Techniken nicht nachgewiesen werden, daher werden sie als „dunkle Spins“ bezeichnet.

Da sie mit NV-Zentren interagieren, können Dark Spins Quanteninformationen zerstören, die in einem NV-Zentrum gespeichert sind, oder die Leistung von NV-basierten Sensoren verringern. Solche Wechselwirkungen können minimiert werden, indem NV-Zentren verwendet werden, die tiefer in der Masse des Diamanten liegen. Diese Lösung macht es jedoch schwieriger, sie zu verwenden, um Magnetfelder auf sehr kurzen Längenskalen zu erfassen – etwas, das nützlich ist, um einzelne Spins, Kerne oder Moleküle zu untersuchen.

Technisch sinnvoll

Aufgrund der Schwierigkeit, dunkle Spins zu erkennen, ist ihr Verhalten meist ein Rätsel geblieben. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass dunkle Spins lange Kohärenzzeiten haben, was sie in Quantentechnologien nützlich machen könnte.

Beide Teams untersuchten Wechselwirkungen zwischen NV-Zentren und dunklen Spins mithilfe von Doppelelektronen-Elektronen-Resonanz (DEER). Dies ist eine Technik, die den Abstand zwischen Paaren von Elektronenspins bestimmt, indem Mikrowellenimpulse gleichzeitig an beide angelegt werden.

Ein Team führte vorbei Nathalie de León an der Princeton University nutzten DEER-Messungen, um ein Modell zu entwickeln, wie die Kohärenzzeiten der NV-Zentren mit ihrer Tiefe unter der Diamantoberfläche variieren. Das Team entdeckte auch, dass die dunklen Drehungen nicht statisch sind, sondern stattdessen zwischen Orten auf der Oberfläche „hüpfen“. Diese Entdeckungen legen nahe, dass NV-basierte Technologien optimiert werden könnten, indem eine geeignete Tiefe für die NV-Zentren ausgewählt wird – und indem Wege entwickelt werden, um das Springen dunkler Spins zu kontrollieren.

Chemische Gasphasenabscheidung

Inzwischen führte ein Team vorbei Norman Yao An der University of California verwendete Berkeley ähnliche Techniken, um zu untersuchen, wie NV-Zentren mit einer anderen Art von dunklem Spin namens P1s interagieren. Diese wurden auf einer Diamantoberfläche durch chemische Gasphasenabscheidung von Stickstoff erzeugt.

Die diamantene Quantenrevolution

In einem Experiment präparierten die Forscher ein dünn besiedeltes Bad von P1s, so dass gegenseitige Wechselwirkungen zwischen NV-Zentren den Einfluss der P1s dominierten. In diesem Fall könnten sie Mikrowellenpulse verwenden, um die NV-Zentren selektiv voneinander oder von den Verunreinigungen zu entkoppeln. Diese Studie zeigte, dass in diesem Fall eher Wechselwirkungen zwischen NV-Zentren den Dekohärenzprozess dominierten als Wechselwirkungen zwischen NV-Zentren und den P1s.

Als Yao und Kollegen jedoch ein dichteres Bad von P1s herstellten, konnten sie die Wechselwirkungen nutzen, um Quanteninformationen zwischen den NV-Zentren und den P1s auszutauschen. Diese reichhaltige Quantenumgebung könnte besonders nützlich sein, um Quantensimulationen durchzuführen, die viele interagierende Spins beinhalten – einschließlich komplexer Biomoleküle und exotischer Materiezustände.

Yaos Team beschreibt seine Arbeit in a Papier auf arXiv die zur Veröffentlichung angenommen wurde Naturphysik. De Leon und Kollegen präsentieren ihre Ergebnisse in Körperliche Überprüfung X..

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/