Los giros oscuros podrían aumentar el rendimiento de los dispositivos cuánticos basados ​​en diamantes

El rendimiento de algunas tecnologías cuánticas podría mejorarse explotando las interacciones entre los centros de vacantes de nitrógeno (NV) y los defectos en la superficie del diamante, según una investigación realizada por dos equipos independientes de científicos en los EE. UU.

Los centros NV en diamante se han convertido en una plataforma de estado sólido prometedora para la detección cuántica y el procesamiento de información. Son defectos en la red de diamante en los que dos átomos de carbono se reemplazan con un solo átomo de nitrógeno, dejando un sitio de red vacante. Los centros NV son un sistema de giro de dos niveles en el que se puede escribir y leer información cuántica utilizando luz láser y microondas. Una propiedad importante de los centros NV es que una vez que se han puesto en un estado cuántico específico, pueden permanecer en ese estado durante un tiempo de "coherencia" relativamente largo, lo que los hace tecnológicamente útiles.

Muy sensible

Los centros NV son muy sensibles a los campos magnéticos, lo que significa que pueden usarse para crear sensores de campo magnético de alto rendimiento para una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, esta sensibilidad tiene su inconveniente porque las fuentes de ruido magnético pueden degradar el rendimiento de los centros NV.

Una fuente de ruido magnético son las interacciones entre los centros NV y los espines de los electrones desapareados en la superficie del diamante. Estos giros no se pueden detectar mediante técnicas ópticas, por lo que se denominan "giros oscuros".

A medida que interactúan con los centros de NV, los giros oscuros pueden destruir la información cuántica almacenada en un centro de NV o reducir el rendimiento de los sensores basados ​​en NV. Tales interacciones se pueden minimizar usando centros NV que están más profundos dentro del grueso del diamante. Sin embargo, esta solución hace que sea más difícil usarlos para detectar campos magnéticos en escalas de longitud muy corta, algo que es útil para estudiar espines, núcleos o moléculas individuales.

Tecnológicamente útil

Debido a la dificultad de detectar giros oscuros, su comportamiento sigue siendo un misterio. Sin embargo, estudios previos han demostrado que los giros oscuros tienen tiempos de coherencia largos, lo que podría hacerlos útiles en tecnologías cuánticas.

Ambos equipos investigaron las interacciones entre los centros NV y los espines oscuros mediante resonancia de doble electrón-electrón (DEER). Esta es una técnica que determina la distancia entre pares de espines de electrones aplicando pulsos de microondas a ambos simultáneamente.

Un equipo dirigido por Nathalie de León en la Universidad de Princeton utilizó medidas DEER para desarrollar un modelo de cómo los tiempos de coherencia del centro NV varían con su profundidad debajo de la superficie del diamante. El equipo también descubrió que los giros oscuros no son estáticos, sino que "saltan" entre sitios en la superficie. Estos descubrimientos sugieren que las tecnologías basadas en NV podrían optimizarse seleccionando una profundidad adecuada para los centros de NV y desarrollando formas de controlar el salto de los giros oscuros.

Deposición de vapor químico

Mientras tanto, un equipo dirigido por norman yao en la Universidad de California, Berkeley, utilizó técnicas similares para explorar cómo los centros NV interactúan con un tipo diferente de espín oscuro llamado P1. Estos fueron creados en una superficie de diamante por la deposición química de vapor de nitrógeno.

La revolución cuántica del diamante

En un experimento, los investigadores prepararon un baño escasamente poblado de P1 para que las interacciones mutuas entre los centros NV dominaran la influencia de las P1. En este caso, podrían usar pulsos de microondas para desacoplar selectivamente los centros NV entre sí o de las impurezas. Este estudio reveló que, en este caso, las interacciones entre los centros NV dominaron el proceso de decoherencia, en lugar de las interacciones entre los centros NV y los P1.

Sin embargo, cuando Yao y sus colegas prepararon un baño más denso de P1, pudieron usar las interacciones para intercambiar información cuántica entre los centros NV y los P1. Este rico entorno cuántico podría ser particularmente útil para realizar simulaciones cuánticas que involucran muchos espines que interactúan, incluidas biomoléculas complejas y estados exóticos de la materia.

El equipo de Yao describe su trabajo en un papel sobre arXiv que ha sido aceptado para su publicación en Física de la naturaleza. De León y sus colegas presentan sus hallazgos en Revisión física X.

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