Dark spins kan öka prestandan hos diamantbaserade kvantenheter

Prestandan hos vissa kvantteknologier skulle kunna förstärkas genom att utnyttja interaktioner mellan kvävevakanscenter (NV) och defekter på diamantytan – enligt forskning gjord av två oberoende team av forskare i USA.

NV-center i diamant har dykt upp som en lovande solid state-plattform för kvantavkänning och informationsbehandling. De är defekter i diamantgittret där två kolatomer ersätts med en enda kväveatom, vilket lämnar en gitterplats tom. NV-centra är ett spinnsystem i två nivåer i vilket kvantinformation kan skrivas och läsas ut med hjälp av laserljus och mikrovågor. En viktig egenskap hos NV-centra är att när de väl har förts in i ett specifikt kvanttillstånd kan de förbli i det tillståndet under en relativt lång "koherens"-tid – vilket gör dem tekniskt användbara.

Väldigt känslig

NV-centra är mycket känsliga för magnetfält, vilket innebär att de kan användas för att skapa högpresterande magnetfältssensorer för ett brett spektrum av applikationer. Denna känslighet har dock sin baksida eftersom källor till magnetiskt brus kan försämra prestandan hos NV-centra.

En källa till magnetiskt brus är interaktionerna mellan NV-centra och spinn av oparade elektroner på diamantytan. Dessa snurr kan inte upptäckas med optiska tekniker, så de kallas för "mörka snurr".

När de interagerar med NV-center kan mörka snurr förstöra kvantinformation som lagras i ett NV-center eller minska prestandan hos NV-baserade sensorer. Sådana interaktioner kan minimeras genom att använda NV-centra som är djupare inuti diamantens huvuddel. Den här lösningen gör det dock svårare att använda dem för att känna av magnetiska fält över mycket korta skalor – något som är användbart för att studera individuella spinn, kärnor eller molekyler.

Tekniskt användbart

På grund av svårigheten att upptäcka mörka snurr, har deras beteende mestadels förblivit ett mysterium. Tidigare studier har dock visat att mörka spins har långa koherenstider, vilket kan göra dem användbara i kvantteknologier.

Båda lagen undersökte interaktioner mellan NV-centra och mörka snurr med hjälp av dubbel elektron-elektronresonans (DEER). Detta är en teknik som bestämmer avståndet mellan par av elektronsnurr genom att applicera mikrovågspulser på båda samtidigt.

Ett lag ledd av Nathalie de Leon vid Princeton University använde DEER-mätningar för att utveckla en modell för hur NV-centrumkoherenstider varierar med deras djup under diamantytan. Teamet upptäckte också att de mörka snurren inte är statiska, utan istället "hoppar" mellan platser på ytan. Dessa upptäckter tyder på att NV-baserade teknologier kan optimeras genom att välja ett lämpligt djup för NV-centra – och genom att utveckla sätt att kontrollera hoppningen av mörka snurr.

Kemisk ångavsättning

Under tiden ett team ledd av Norman Yao vid University of California, Berkeley använde liknande tekniker för att utforska hur NV-centra interagerar med en annan typ av mörkt spinn som kallas P1s. Dessa skapades på en diamantyta genom kemisk ångavsättning av kväve.

Diamantkvantrevolutionen

I ett experiment förberedde forskarna ett glest befolkat bad av P1s så att ömsesidiga interaktioner mellan NV-centra dominerade över P1s inflytande. I det här fallet kan de använda mikrovågspulser för att selektivt frikoppla NV-centra antingen från varandra eller från föroreningarna. Denna studie avslöjade att i detta fall dominerade interaktioner mellan NV-centra dekoherensprocessen, snarare än interaktioner mellan NV-centra och P1s.

Men när Yao och kollegor förberedde ett tätare bad av P1s, kunde de använda interaktionerna för att utbyta kvantinformation mellan NV-centra och P1s. Denna rika kvantmiljö kan vara särskilt användbar för att utföra kvantsimuleringar som involverar många interagerande snurr – inklusive komplexa biomolekyler och exotiska tillstånd av materia.

Yaos team beskriver sitt arbete i en papper på arXiv som har godkänts för publicering i Naturfysik. De Leon och kollegor presenterar sina resultat i Fysisk granskning X.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/