Chicago ülikooli ja Argonne'i riikliku labori teadlaste juhitud uues teoreetilises uuringus on kindlaks tehtud mikroskoopilised mehhanismid, mille abil teemantpinnad mõjutavad lämmastiku{0}}vakantsuskeskuste (NV) kvantkoherentsust-teemandi defekte, mis on tänapäeva kõige tundlikumate kvantandurite aluseks. Uuring ilmus aastalFüüsilise ülevaate materjalidja valiti toimetajate soovituste artikliks.
"Üks pikaajaline{0}} väljakutse on olnud mõista, miks madalad NV-keskused kaotavad nii kiiresti koherentsuse," ütles Giulia Galli, Chicago ülikooli Pritzkeri molekulaartehnika kooli (UChicago PME) professor ja Argonne'i riikliku labori vanemteadur. "Esimeste -põhimõtete pinnamudelite ja kvantdünaamika simulatsioonide kombineerimisel saime aru, et dekoherentsi süüdlane pole mitte ainult see, millised spinnid teemantpinnal elavad, vaid ka nende liikumises: pinnamüra on dünaamiline."
Uuringu tulemused annavad selged füüsikal{0}} põhinevad juhised teemantpindade projekteerimiseks, mis aitavad säilitada kvantsidusust, mis on kvanttuvastuse ja tärkavate kvantinfotehnoloogiate põhinõue.
NV-keskmed on teemandi aatomi-skaala defektid, mille kvantpöörlemisolekuid saab lähtestada, juhtida ja toatemperatuuril optiliselt välja lugeda. Kui need asetatakse teemantpinna lähedale, suudavad NV-keskused tuvastada äärmiselt nõrku magnetilisi ja elektrilisi signaale molekulidest, materjalidest ja bioloogilistest süsteemidest. Kuid see lähedus avaldab neile ka pinna{3}}seotud müra, nagu kõikuvad paramagnetilised defektid ja laengu- või elektri-väljamüra, mis halvendab kiiresti nende kvantkoherentsust ja piirab anduri jõudlust.
"Kirjanduses on pinnamüra päritolu sageli nimetatud "X spinnideks" või "tumedateks spinnideks", kuna müra täpset mikroskoopilist olemust ei mõistetud ja see võib tuleneda optiliselt mitteaktiivsetest kohtadest," ütles UChicago PME Ph.D. kandidaat Jonah Nagura, uuringu juhtiv autor. "Meie uuringud aitavad täpselt kindlaks teha, mis on pinnal mürarikas, ja seab tee müra kõrvaldamiseks, et saaks luua täiustatud ja võimsamaid kvantandureid."
Selles töös ühendasid teadlased tiheduse funktsionaalse teooria{0}}põhised teemantpindade atomistlikud mudelid täiustatud kvantdekoherentsi simulatsioonidega, et tuvastada ja eraldada domineerivad pinnamüra mehhanismid.
"Teemantpindade valmistamise protsessis rakenduste tuvastamiseks võivad tekkida soovimatud pinnadefektid, sealhulgas rippuvad sidemed," ütles Nagura. "Mõned neist defektidest võivad sisaldada paarituid elektrone, paramagnetilisi spine, mis aja jooksul kõikuvad ja tekitavad magnetilist müra, mis häirib NV keskust. See müra võib vähendada NV koherentsust ja varjata nõrku sihtsignaale, mida tahetakse mõõta."
Uuring näitab, et viis, kuidas pind keemiliselt lõpetatakse, mõjutab oluliselt NV sidusust. Nagura arvutused näitasid, et hapniku- ja lämmastiku-lõpuga pinnad säilitavad suures osas peaaegu -hulga koherentsuse isegi NV-keskuste puhul, mis asuvad pinnast vaid mõne nanomeetri kaugusel. Seevastu vesiniku- ja fluori-otsaga pinnad tekitavad palju tugevamat pinnaga seotud-magnetmüra, mis lühendab koherentsusaegu drastiliselt.
"Kuigi terminatsioonikeemia ja tahkude orientatsioon on olulised, leidsime, et pinnapealsete NV-de sidususes domineerivad pind{0}}elektronide lõdvestamine ja hüppamine," ütles Nagura.
"Pinnal esinevad elektronide spinnid interakteeruvad samade laserimpulssidega, mida kasutatakse NV-keskme manipuleerimiseks ja väljalugemiseks. Laservalgus võib põhjustada muutusi pinna laengu olekus, põhjustades paaritute elektronide hüppamist erinevate aatomikohtade vahel. See liikumine tekitab täiendava aja-muutuvaid magnetvälju, mis omakorda tekitavad lisamüra."
Tuvastades domineerivad mikroskoopilised mürakanalid, pakub uuring tegevuskava NV-põhiste kvantseadmete täiustamiseks, millel on otsene mõju kvantandurile ja teabetöötlusele.
"Kui me võtame arvesse elektronide liikumist pinnal, joonduvad teooria ja eksperiment lõpuks," ütles Nagura.
