Învârtirile întunecate ar putea crește performanța dispozitivelor cuantice bazate pe diamante

Performanța unor tehnologii cuantice ar putea fi îmbunătățită prin exploatarea interacțiunilor dintre centrele de azot liber (NV) și defectele de pe suprafața diamantului – conform cercetărilor efectuate de două echipe independente de oameni de știință din SUA.

Centrele NV din diamant au apărut ca o platformă promițătoare de stare solidă pentru detectarea cuantică și procesarea informațiilor. Sunt defecte ale rețelei de diamant în care doi atomi de carbon sunt înlocuiți cu un singur atom de azot, lăsând un loc de rețea liber. Centrele NV sunt un sistem de rotație cu două niveluri în care informațiile cuantice pot fi scrise și citite folosind lumina laser și microunde. O proprietate importantă a centrelor NV este că, odată ce au fost puse într-o anumită stare cuantică, ele pot rămâne în acea stare pentru un timp de „coerență” relativ lung – ceea ce le face utile din punct de vedere tehnologic.

Foarte sensibil

Centrele NV sunt foarte sensibile la câmpurile magnetice, ceea ce înseamnă că pot fi utilizate pentru a crea senzori de câmp magnetic de înaltă performanță pentru o gamă largă de aplicații. Cu toate acestea, această sensibilitate are un dezavantaj, deoarece sursele de zgomot magnetic pot degrada performanța centrelor NV.

O sursă de zgomot magnetic sunt interacțiunile dintre centrii NV și spinurile electronilor neperechi de pe suprafața diamantului. Aceste rotiri nu pot fi detectate folosind tehnici optice, așa că sunt denumite „rotiri întunecate”.

Pe măsură ce interacționează cu centrele NV, învârtirile întunecate pot distruge informațiile cuantice care sunt stocate într-un centru NV sau pot reduce performanța senzorilor bazați pe NV. Astfel de interacțiuni pot fi minimizate prin utilizarea centrelor NV care sunt mai adânci în cea mai mare parte a diamantului. Cu toate acestea, această soluție face mai dificilă utilizarea lor pentru a detecta câmpurile magnetice pe scari de lungime foarte scurtă - ceva care este util pentru studierea spinurilor, nucleelor ​​sau moleculelor individuale.

Util din punct de vedere tehnologic

Din cauza dificultății de a detecta învârtirile întunecate, comportamentul lor a rămas în mare parte un mister. Cu toate acestea, studiile anterioare au arătat că spinurile întunecate au timpi lungi de coerență, ceea ce le-ar putea face utile în tehnologiile cuantice.

Ambele echipe au testat interacțiunile dintre centrii NV și spinurile întunecate folosind rezonanța dublă electron-electron (DEER). Aceasta este o tehnică care determină distanța dintre perechile de spini de electroni prin aplicarea de impulsuri de microunde la ambele simultan.

O echipă condusă de Nathalie de Leon de la Universitatea Princeton a folosit măsurătorile DEER pentru a dezvolta un model al modului în care timpii de coerență ai centrului NV variază în funcție de adâncimea lor sub suprafața diamantului. Echipa a descoperit, de asemenea, că învârtirile întunecate nu sunt statice, ci „hop” între locurile de la suprafață. Aceste descoperiri sugerează că tehnologiile bazate pe NV ar putea fi optimizate prin selectarea unei adâncimi adecvate pentru centrele NV - și prin dezvoltarea modalităților de a controla saltul de rotații întunecate.

Depuneri chimice de vapori

Între timp, o echipă condusă de Norman Yao la Universitatea din California, Berkeley a folosit tehnici similare pentru a explora modul în care centrele NV interacționează cu un alt tip de spin întunecat numit P1s. Acestea au fost create pe o suprafață de diamant prin depunerea chimică în vapori a azotului.

Revoluția cuantică a diamantului

Într-un experiment, cercetătorii au pregătit o baie slab populată de P1, astfel încât interacțiunile reciproce dintre centrii NV au dominat influența P1. În acest caz, ar putea folosi impulsuri de microunde pentru a decupla selectiv centrii NV fie unul de celălalt, fie de impurități. Acest studiu a arătat că, în acest caz, interacțiunile dintre centrele NV au dominat procesul de decoerență, mai degrabă decât interacțiunile dintre centrele NV și P1.

Cu toate acestea, când Yao și colegii au pregătit o baie mai densă de P1, ei au putut folosi interacțiunile pentru a face schimb de informații cuantice între centrele NV și P1. Acest mediu cuantic bogat ar putea fi deosebit de util pentru efectuarea de simulări cuantice care implică multe rotații care interacționează – inclusiv biomolecule complexe și stări exotice ale materiei.

Echipa lui Yao își descrie munca într-un hârtie pe arXiv care a fost acceptat spre publicare în Fizica naturii. De Leon și colegii își prezintă descoperirile în Revizuirea fizică X.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/