Donkere spins zouden de prestaties van op diamanten gebaseerde kwantumapparaten kunnen verbeteren

De prestaties van sommige kwantumtechnologieën zouden kunnen worden verbeterd door gebruik te maken van interacties tussen stikstof-vacature (NV) centra en defecten op het oppervlak van diamant - volgens onderzoek uitgevoerd door twee onafhankelijke teams van wetenschappers in de VS.

NV-centra in diamant zijn naar voren gekomen als een veelbelovend solid-state platform voor kwantumdetectie en informatieverwerking. Het zijn defecten in het diamantrooster waarin twee koolstofatomen zijn vervangen door een enkel stikstofatoom, waardoor één roosterplaats leeg blijft. NV-centra zijn een spinsysteem met twee niveaus waarin kwantuminformatie kan worden geschreven en uitgelezen met behulp van laserlicht en microgolven. Een belangrijke eigenschap van NV-centra is dat als ze eenmaal in een bepaalde kwantumtoestand zijn gebracht, ze in die toestand een relatief lange “coherentie”-tijd kunnen blijven – wat ze technologisch bruikbaar maakt.

Erg gevoelig

NV-centra zijn erg gevoelig voor magnetische velden, wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt om krachtige magnetische veldsensoren te maken voor een breed scala aan toepassingen. Deze gevoeligheid heeft echter een keerzijde omdat bronnen van magnetische ruis de prestaties van NV-centra kunnen verslechteren.

Een bron van magnetische ruis zijn de interacties tussen NV-centra en de spins van ongepaarde elektronen op het oppervlak van diamant. Deze spins kunnen niet worden gedetecteerd met optische technieken, daarom worden ze "dark spins" genoemd.

Terwijl ze communiceren met NV-centra, kunnen donkere spins kwantuminformatie vernietigen die is opgeslagen in een NV-centrum of de prestaties van NV-gebaseerde sensoren verminderen. Dergelijke interacties kunnen worden geminimaliseerd door NV-centra te gebruiken die dieper in het grootste deel van de diamant zitten. Deze oplossing maakt het echter moeilijker om ze te gebruiken om magnetische velden over zeer korte lengteschalen waar te nemen - iets dat handig is voor het bestuderen van individuele spins, kernen of moleculen.

Technologisch nuttig

Vanwege de moeilijkheid om donkere spins te detecteren, is hun gedrag grotendeels een mysterie gebleven. Eerdere studies hebben echter aangetoond dat donkere spins lange coherentietijden hebben, waardoor ze nuttig kunnen zijn in kwantumtechnologieën.

Beide teams onderzochten interacties tussen NV-centra en donkere spins met behulp van dubbele elektronen-elektronenresonantie (DEER). Dit is een techniek die de afstand tussen paren elektronenspins bepaalt door tegelijkertijd microgolfpulsen op beide toe te passen.

Een team onder leiding van Nathalie de León aan Princeton University gebruikte DEER-metingen om een ​​model te ontwikkelen van hoe NV-centrumcoherentietijden variëren met hun diepte onder het oppervlak van diamant. Het team ontdekte ook dat de donkere spins niet statisch zijn, maar in plaats daarvan "springen" tussen locaties aan de oppervlakte. Deze ontdekkingen suggereren dat NV-gebaseerde technologieën kunnen worden geoptimaliseerd door een geschikte diepte voor de NV-centra te selecteren - en door manieren te ontwikkelen om het hoppen van donkere spins te beheersen.

Chemische dampafzetting

Ondertussen een team onder leiding van Norman Yao aan de Universiteit van Californië gebruikte Berkeley vergelijkbare technieken om te onderzoeken hoe NV-centra interageren met een ander type donkere spin genaamd P1s. Deze zijn gemaakt op een diamantoppervlak door de chemische dampafzetting van stikstof.

De diamant kwantumrevolutie

In één experiment maakten de onderzoekers een dunbevolkt bad van P1's klaar zodat onderlinge interacties tussen NV-centra de invloed van de P1's domineerden. In dit geval zouden ze microgolfpulsen kunnen gebruiken om de NV-centra selectief van elkaar of van de onzuiverheden te ontkoppelen. Deze studie onthulde dat in dit geval interacties tussen NV-centra het decoherentieproces domineerden, in plaats van interacties tussen NV-centra en de P1's.

Toen Yao en collega's echter een dichter bad van P1's voorbereidden, konden ze de interacties gebruiken om kwantuminformatie uit te wisselen tussen de NV-centra en de P1's. Deze rijke kwantumomgeving kan met name nuttig zijn voor het uitvoeren van kwantumsimulaties waarbij veel op elkaar inwerkende spins betrokken zijn, waaronder complexe biomoleculen en exotische toestanden van materie.

Yao's team beschrijft zijn werk in een papier op arXiv dat is geaccepteerd voor publicatie in Natuurfysica. De Leon en collega's presenteren hun bevindingen in Fysieke beoordeling X.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/