Темные спины могут повысить производительность квантовых устройств на основе алмазов

Согласно исследованию, проведенному двумя независимыми группами ученых в США, производительность некоторых квантовых технологий можно повысить, используя взаимодействие между азот-вакансионными (NV) центрами и дефектами на поверхности алмаза.

NV-центры в алмазе стали многообещающей твердотельной платформой для квантового зондирования и обработки информации. Это дефекты в решетке алмаза, в которых два атома углерода заменены одним атомом азота, в результате чего один узел решетки остается вакантным. NV-центры представляют собой двухуровневую спиновую систему, в которую можно записывать и считывать квантовую информацию с помощью лазерного света и микроволн. Важным свойством NV-центров является то, что, будучи переведены в определенное квантовое состояние, они могут оставаться в этом состоянии в течение относительно длительного времени «когерентности», что делает их технологически полезными.

Очень чувствительный

НВ-центры очень чувствительны к магнитным полям, а это значит, что их можно использовать для создания высокопроизводительных датчиков магнитного поля широкого спектра применения. Однако у этой чувствительности есть и обратная сторона: источники магнитного шума могут ухудшить работу NV-центров.

Одним из источников магнитного шума являются взаимодействия между NV-центрами и спинами неспаренных электронов на поверхности алмаза. Эти спины невозможно обнаружить оптическими методами, поэтому их называют «темными спинами».

Взаимодействуя с NV-центрами, темные спины могут уничтожить квантовую информацию, хранящуюся в NV-центре, или снизить производительность датчиков на основе NV. Такие взаимодействия можно свести к минимуму, используя NV-центры, находящиеся глубже внутри алмаза. Однако это решение затрудняет их использование для измерения магнитных полей на очень коротких масштабах длины, что полезно для изучения отдельных спинов, ядер или молекул.

Технологически полезно

Из-за сложности обнаружения темных спинов их поведение по большей части остается загадкой. Однако предыдущие исследования показали, что темные спины имеют длительное время когерентности, что может сделать их полезными в квантовых технологиях.

Обе команды исследовали взаимодействие между NV-центрами и темными спинами с помощью двойного электрон-электронного резонанса (DEER). Это метод, который определяет расстояние между парами электронных спинов путем одновременного воздействия на них микроволновых импульсов.

Одна команда под руководством Натали де Леон в Принстонском университете использовали измерения DEER для разработки модели того, как время когерентности центров NV меняется в зависимости от их глубины под поверхностью алмаза. Команда также обнаружила, что темные вращения не статичны, а «перепрыгивают» между участками на поверхности. Эти открытия предполагают, что технологии на основе NV можно оптимизировать, выбрав соответствующую глубину для NV-центров и разработав способы управления скачками темных спинов.

Химическое осаждение из паровой фазы

Тем временем команда под руководством Норман Яо в Калифорнийском университете Беркли использовал аналогичные методы, чтобы изучить, как NV-центры взаимодействуют с другим типом темного спина, называемым P1s. Они были созданы на поверхности алмаза путем химического осаждения азота из паровой фазы.

Алмазная квантовая революция

В одном эксперименте исследователи подготовили малонаселенную ванну с P1 так, чтобы взаимные взаимодействия между NV-центрами доминировали над влиянием P1. В этом случае они могли бы использовать микроволновые импульсы для избирательной развязки NV-центров либо друг от друга, либо от примесей. Это исследование показало, что в этом случае в процессе декогеренции доминируют взаимодействия между центрами NV, а не взаимодействия между центрами NV и P1.

Однако, когда Яо и его коллеги подготовили более плотную ванну из P1, они смогли использовать взаимодействия для обмена квантовой информацией между NV-центрами и P1. Эта богатая квантовая среда может быть особенно полезна для выполнения квантового моделирования, включающего множество взаимодействующих спинов, включая сложные биомолекулы и экзотические состояния материи.

Команда Яо описывает свою работу в бумага на ArXiv принятое к публикации в Физика природы. Де Леон и его коллеги представляют свои выводы в Физический обзор X.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/