Putaran gelap dapat meningkatkan kinerja perangkat kuantum berbasis berlian

Kinerja beberapa teknologi kuantum dapat ditingkatkan dengan mengeksploitasi interaksi antara pusat kekosongan nitrogen (NV) dan cacat pada permukaan berlian – menurut penelitian yang dilakukan oleh dua tim ilmuwan independen di AS.

Pusat NV dalam berlian telah muncul sebagai platform solid-state yang menjanjikan untuk penginderaan kuantum dan pemrosesan informasi. Mereka adalah cacat pada kisi berlian di mana dua atom karbon diganti dengan satu atom nitrogen, meninggalkan satu situs kisi kosong. Pusat NV adalah sistem putaran dua tingkat di mana informasi kuantum dapat ditulis dan dibaca menggunakan sinar laser dan gelombang mikro. Properti penting dari pusat NV adalah bahwa begitu mereka dimasukkan ke dalam keadaan kuantum tertentu, mereka dapat tetap dalam keadaan itu untuk waktu "koherensi" yang relatif lama – yang membuat mereka berguna secara teknologi.

Sangat sensitif

Pusat NV sangat sensitif terhadap medan magnet, yang berarti dapat digunakan untuk membuat sensor medan magnet berkinerja tinggi untuk berbagai aplikasi. Namun, sensitivitas ini memiliki kelemahan karena sumber kebisingan magnetik dapat menurunkan kinerja pusat NV.

Salah satu sumber derau magnetik adalah interaksi antara pusat NV dan putaran elektron tak berpasangan pada permukaan intan. Putaran ini tidak dapat dideteksi menggunakan teknik optik, sehingga disebut sebagai “putaran gelap”.

Saat berinteraksi dengan pusat NV, putaran gelap dapat menghancurkan informasi kuantum yang disimpan di pusat NV atau mengurangi kinerja sensor berbasis NV. Interaksi semacam itu dapat diminimalkan dengan menggunakan pusat NV yang berada lebih dalam di dalam sebagian besar berlian. Namun, solusi ini membuatnya lebih sulit untuk menggunakannya untuk merasakan medan magnet dalam skala yang sangat pendek – sesuatu yang berguna untuk mempelajari putaran, inti, atau molekul individu.

Bermanfaat secara teknologi

Karena sulitnya mendeteksi putaran gelap, perilaku mereka sebagian besar tetap menjadi misteri. Namun, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa putaran gelap memiliki waktu koherensi yang lama, yang dapat membuatnya berguna dalam teknologi kuantum.

Kedua tim menyelidiki interaksi antara pusat NV dan putaran gelap menggunakan resonansi elektron-elektron ganda (DEER). Ini adalah teknik yang menentukan jarak antara pasangan spin elektron dengan menerapkan gelombang mikro ke keduanya secara bersamaan.

Satu tim dipimpin oleh Nathalie de Leon di Universitas Princeton menggunakan pengukuran DEER untuk mengembangkan model bagaimana waktu koherensi pusat NV bervariasi dengan kedalamannya di bawah permukaan intan. Tim juga menemukan bahwa putaran gelap tidak statis, melainkan "melompat" antar situs di permukaan. Penemuan ini menunjukkan bahwa teknologi berbasis NV dapat dioptimalkan dengan memilih kedalaman yang sesuai untuk pusat NV – dan dengan mengembangkan cara untuk mengontrol lompatan putaran gelap.

Deposisi uap kimia

Sementara tim yang dipimpin oleh Norman Yao di University of California, Berkeley menggunakan teknik serupa untuk mengeksplorasi bagaimana pusat NV berinteraksi dengan berbagai jenis putaran gelap yang disebut P1. Ini diciptakan pada permukaan berlian oleh pengendapan uap kimia nitrogen.

Revolusi kuantum berlian

Dalam satu percobaan, para peneliti menyiapkan bak mandi P1 yang jarang penduduknya sehingga interaksi timbal balik antara pusat NV mendominasi pengaruh P1. Dalam hal ini, mereka dapat menggunakan pulsa gelombang mikro untuk secara selektif memisahkan pusat NV dari satu sama lain, atau dari pengotor. Studi ini mengungkapkan bahwa dalam hal ini interaksi antara pusat NV mendominasi proses dekoherensi, daripada interaksi antara pusat NV dan P1.

Namun, ketika Yao dan rekannya menyiapkan kumpulan P1 yang lebih padat, mereka dapat menggunakan interaksi untuk bertukar informasi kuantum antara pusat NV dan P1. Lingkungan kuantum yang kaya ini bisa sangat berguna untuk melakukan simulasi kuantum yang melibatkan banyak putaran yang saling berinteraksi – termasuk biomolekul kompleks dan keadaan materi eksotis.

Tim Yao menjelaskan pekerjaannya dalam a kertas aktif arXiv yang telah diterima untuk dipublikasikan di Fisika Alam. De Leon dan rekannya mempresentasikan temuan mereka di Ulasan Fisik X.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/