Vòng quay tối có thể tăng hiệu suất của các thiết bị lượng tử dựa trên kim cương

Hiệu suất của một số công nghệ lượng tử có thể được tăng cường bằng cách khai thác các tương tác giữa các tâm điểm trống nitơ (NV) và các khuyết tật trên bề mặt kim cương – theo nghiên cứu được thực hiện bởi hai nhóm nhà khoa học độc lập ở Mỹ.

Các trung tâm NV trong kim cương đã nổi lên như một nền tảng trạng thái rắn đầy hứa hẹn cho cảm biến lượng tử và xử lý thông tin. Chúng là những khiếm khuyết trong mạng kim cương, trong đó hai nguyên tử carbon được thay thế bằng một nguyên tử nitơ duy nhất, khiến một vị trí của mạng bị bỏ trống. Các trung tâm NV là một hệ thống quay hai cấp trong đó thông tin lượng tử có thể được ghi và đọc bằng ánh sáng laze và vi sóng. Một đặc tính quan trọng của các trung tâm NV là một khi chúng được đưa vào một trạng thái lượng tử cụ thể, chúng có thể duy trì ở trạng thái đó trong một thời gian “kết hợp” tương đối dài – điều này khiến chúng trở nên hữu ích về mặt công nghệ.

Rất nhạy cảm

Các trung tâm NV rất nhạy cảm với từ trường, điều đó có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến từ trường hiệu suất cao cho nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, độ nhạy này có nhược điểm vì các nguồn nhiễu từ có thể làm giảm hiệu suất của các trung tâm NV.

Một nguồn nhiễu từ là sự tương tác giữa các tâm NV và spin của các electron chưa ghép cặp trên bề mặt kim cương. Các spin này không thể được phát hiện bằng các kỹ thuật quang học, vì vậy chúng được gọi là "các spin tối".

Khi chúng tương tác với các trung tâm NV, các vòng quay tối có thể phá hủy thông tin lượng tử được lưu trữ trong trung tâm NV hoặc làm giảm hiệu suất của các cảm biến dựa trên NV. Những tương tác như vậy có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các trung tâm NV nằm sâu hơn bên trong khối kim cương. Tuy nhiên, giải pháp này làm cho việc sử dụng chúng để cảm nhận từ trường trên các thang chiều dài rất ngắn trở nên khó khăn hơn – một điều rất hữu ích cho việc nghiên cứu các spin, hạt nhân hoặc phân tử riêng lẻ.

hữu ích về mặt công nghệ

Do khó phát hiện các vòng quay tối, hành vi của chúng hầu như vẫn còn là một bí ẩn. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các spin tối có thời gian kết hợp lâu, điều này có thể khiến chúng trở nên hữu ích trong các công nghệ lượng tử.

Cả hai đội đã thăm dò sự tương tác giữa các tâm NV và các spin tối bằng cách sử dụng cộng hưởng electron-electron kép (DEER). Đây là một kỹ thuật xác định khoảng cách giữa các cặp spin của electron bằng cách áp dụng các xung vi sóng cho cả hai cùng một lúc.

Một đội dẫn đầu bởi Nathalie de Leon tại Đại học Princeton đã sử dụng các phép đo DEER để phát triển một mô hình về thời gian kết hợp trung tâm NV thay đổi như thế nào theo độ sâu của chúng bên dưới bề mặt kim cương. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các vòng quay tối không tĩnh mà thay vào đó “nhảy” giữa các vị trí trên bề mặt. Những khám phá này gợi ý rằng các công nghệ dựa trên NV có thể được tối ưu hóa bằng cách chọn độ sâu thích hợp cho các trung tâm NV – và bằng cách phát triển các cách để kiểm soát bước nhảy của các vòng quay tối.

lắng đọng hơi hóa chất

Trong khi đó, một đội dẫn đầu bởi Norman Yao tại Đại học California, Berkeley đã sử dụng các kỹ thuật tương tự để khám phá cách các trung tâm NV tương tác với một loại vòng quay tối khác gọi là P1. Chúng được tạo ra trên bề mặt kim cương bằng sự lắng đọng hơi hóa học của nitơ.

Cuộc cách mạng lượng tử kim cương

Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị một bể chứa P1 thưa thớt để các tương tác lẫn nhau giữa các trung tâm NV chi phối ảnh hưởng của P1. Trong trường hợp này, họ có thể sử dụng các xung vi sóng để tách có chọn lọc các trung tâm NV khỏi nhau hoặc khỏi các tạp chất. Nghiên cứu này tiết lộ rằng trong trường hợp này, sự tương tác giữa các trung tâm NV chiếm ưu thế trong quá trình làm mất kết hợp, thay vì tương tác giữa các trung tâm NV và P1.

Tuy nhiên, khi Yao và các đồng nghiệp chuẩn bị một bể P1 dày đặc hơn, họ có thể sử dụng các tương tác để trao đổi thông tin lượng tử giữa các trung tâm NV và P1. Môi trường lượng tử phong phú này có thể đặc biệt hữu ích để thực hiện các mô phỏng lượng tử liên quan đến nhiều spin tương tác – bao gồm các phân tử sinh học phức tạp và các trạng thái kỳ lạ của vật chất.

Nhóm của Yao mô tả công việc của mình trong một trên giấy arXiv đã được chấp nhận để xuất bản trong Vật lý tự nhiên. De Leon và các đồng nghiệp trình bày những phát hiện của họ trong Đánh giá vật lý X.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/