ダークスピンは、ダイヤモンドベースの量子デバイスのパフォーマンスを向上させる可能性があります

米国のXNUMXつの独立した科学者チームが行った研究によると、一部の量子技術の性能は、窒素空孔 (NV) 中心とダイヤモンド表面の欠陥との間の相互作用を利用することで向上する可能性があります。

ダイヤモンドの NV センターは、量子センシングと情報処理のための有望な固体プラットフォームとして浮上しています。 それらは、XNUMX つの炭素原子が XNUMX つの窒素原子に置き換えられ、XNUMX つの格子サイトが空いているダイヤモンド格子の欠陥です。 NV センターは、レーザー光とマイクロ波を使用して量子情報を読み書きできる XNUMX レベルのスピン系です。 NV センターの重要な特性は、一度特定の量子状態に置かれると、比較的長い「コヒーレンス」時間の間その状態を維持できることです。これにより、技術的に有用になります。

非常に敏感

NVセンターは磁場に非常に敏感です。つまり、NVセンターを使用して、幅広いアプリケーション向けの高性能磁場センサーを作成できます。 ただし、磁気ノイズの発生源が NV センターの性能を低下させる可能性があるため、この感度には欠点があります。

磁気ノイズの原因の XNUMX つは、ダイヤモンド表面の NV センターと不対電子のスピンとの間の相互作用です。 これらのスピンは、光学的手法では検出できないため、「ダークスピン」と呼ばれます。

ダークスピンは NV センターと相互作用するため、NV センターに保存されている量子情報を破壊したり、NV ベースのセンサーの性能を低下させたりする可能性があります。 このような相互作用は、ダイヤモンドの内部の奥深くにある NV センターを使用することで最小限に抑えることができます。 ただし、このソリューションでは、非常に短い長さスケールで磁場を感知するためにそれらを使用することがより困難になります。これは、個々のスピン、原子核、または分子を研究するのに役立ちます。

技術的に有用

ダークスピンは検出が難しいため、その挙動はほとんど謎のままでした。 しかし、以前の研究では、ダークスピンのコヒーレンス時間が長いことが示されているため、量子技術で役立つ可能性があります。

両チームは、二重電子間共鳴 (DEER) を使用して、NV センターとダーク スピン間の相互作用を調べました。 これは、マイクロ波パルスを両方に同時に印加することにより、電子スピンのペア間の距離を決定する手法です。

率いるXNUMXチーム ナタリー・デ・レオン プリンストン大学では、DEER 測定を使用して、NV 中心コヒーレンス時間がダイヤモンド表面下の深さによってどのように変化するかのモデルを開発しました。 チームはまた、ダークスピンが静的ではなく、表面上のサイト間を「ホップ」することも発見しました。 これらの発見は、NV中心の適切な深さを選択すること、およびダークスピンのホッピングを制御する方法を開発することによって、NVベースの技術を最適化できることを示唆しています。

化学蒸着

一方、率いるチームは ノーマン・ヤオ カリフォルニア大学バークレー校では、同様の手法を使用して、NV センターが P1 と呼ばれる異なるタイプのダーク スピンとどのように相互作用するかを調べました。 これらは、窒素の化学蒸着によってダイヤモンド表面に作成されました。

ダイヤモンド量子革命

ある実験では、研究者は NV センター間の相互作用が P1 の影響を支配するように、P1 のまばらに配置されたバスを準備しました。 この場合、彼らはマイクロ波パルスを使用して、NV センターを互いに、または不純物から選択的に切り離すことができます。 この研究では、この場合、NVセンターとP1間の相互作用ではなく、NVセンター間の相互作用がデコヒーレンスプロセスを支配することが明らかになりました。

しかし、Yao と同僚が P1 のより高密度のバスを準備すると、相互作用を使用して NV センターと P1 の間で量子情報を交換できるようになりました。 この豊富な量子環境は、複雑な生体分子や物質のエキゾチックな状態など、相互作用する多くのスピンを含む量子シミュレーションを実行するのに特に役立つ可能性があります。

Yao のチームは、その作業について次のように説明しています。 上の紙 arXivの に掲載が認められたもの 自然物理学. De Leonと同僚は、彼らの調査結果を フィジカルレビューX.

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