Chicagon yliopiston ja Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoiden johtamassa uudessa teoreettisessa tutkimuksessa on tunnistettu mikroskooppiset mekanismit, joilla timanttipinnat vaikuttavat timantin typpi-vakanssikeskusten (NV) kvanttikoherenssiin-, jotka ovat joidenkin nykypäivän herkimpien kvanttianturien taustalla. Tutkimus on ilmestynyt vFyysisen tarkastelun materiaalitja valittiin Editors' Suggestion -paperiksi.
"Yksi pitkäaikainen{0}}haaste on ollut ymmärtää, miksi matalat NV-keskukset menettävät koherenssinsa niin nopeasti", sanoi Giulia Galli, Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineering -koulun (UChicago PME) professori ja Argonnen kansallisen laboratorion vanhempi tutkija. "Yhdistämällä ensimmäiset-periaatteet pintamallit kvanttidynamiikan simulaatioihin, ymmärsimme, että dekoherenssin syynä ei ole vain se, mitkä spinit elävät timantin pinnalla, vaan se, miten ne liikkuvat: pintakohina on dynaamista."
Tutkimuksen havainnot tarjoavat selkeät, fysiikkaan perustuvat ohjeet timanttipintojen suunnittelulle, mikä auttaa säilyttämään kvanttikoherenssin, joka on keskeinen vaatimus kvanttitunnistukselle ja kehittyville kvanttitietoteknologioille.
NV-keskukset ovat atomi-mittakaavavirheitä timantissa, jonka kvanttipyöritystilat voidaan alustaa, ohjata ja lukea optisesti huoneenlämpötilassa. Kun NV-keskukset asetetaan lähelle timanttipintaa, ne voivat havaita erittäin heikkoja magneettisia ja sähköisiä signaaleja molekyyleistä, materiaaleista ja biologisista järjestelmistä. Kuitenkin tämä läheisyys altistaa ne myös pintakoherille, kuten vaihteleville paramagneettisille vikoille ja varauksille tai sähkö-sähkökentän kohinalle, mikä heikentää nopeasti niiden kvanttikoherenssia ja rajoittaa anturin suorituskykyä.
"Kirjallisuudessa pintamelun alkuperää on usein kutsuttu "X spiniksi" tai "tummiksi spiniksi", koska kohinan tarkkaa mikroskooppista luonnetta ei ymmärretty ja se voi johtua optisesti inaktiivisista kohdista", sanoi UChicago PME Ph.D. ehdokas Jonah Nagura, tutkimuksen johtava kirjoittaja. "Tutkimuksemme auttaa paikantamaan tarkalleen, mikä pinnalla on meluisaa, ja määrittää polun melun poistamiseen, jotta voidaan luoda edistyneempiä, tehokkaampia kvanttiantureita."
Tässä työssä tutkijat yhdistivät tiheysfunktionaaliseen teoriaan{0}}pohjaisia timanttipintojen atomistisia malleja kehittyneisiin kvanttidekoherenssisimulaatioihin tunnistaakseen ja eristääkseen hallitsevia pintakohinamekanismeja.
"Anturisovelluksiin tarkoitettujen timanttipintojen valmistusprosessin aikana voi syntyä ei-toivottuja pintavirheitä, mukaan lukien roikkuvat sidokset", Nagura sanoi. "Jotkut näistä vioista voivat sisältää parittomia elektroneja, paramagneettisia spinejä, jotka vaihtelevat ajan myötä ja synnyttävät magneettista kohinaa, joka häiritsee NV-keskusta. Tämä kohina voi vähentää NV:n koherenssia ja peittää heikot kohdesignaalit, joita halutaan mitata."
Tutkimus osoittaa, että tapa, jolla pinta päätetään kemiallisesti, vaikuttaa syvästi NV-koherenssiin. Naguran laskelmat osoittivat, että happi- ja typpi-päätetyt pinnat säilyttävät suurelta osin lähes -bulkkikoherenssin jopa NV-keskuksissa, jotka ovat vain muutaman nanometrin pinnan alapuolella. Sitä vastoin vety- ja fluori-päätetyt pinnat aiheuttavat paljon voimakkaampaa pintaan liittyvää-magneettista kohinaa, mikä lyhentää koherentsiaikoja huomattavasti.
"Vaikka terminaatiokemialla ja fasettien orientaatiolla on väliä, havaitsimme, että pinta{0}}elektronirelaksaatio ja hyppiminen hallitsevat matalien NV:iden koherenssia", Nagura sanoi.
"Pinnalla olevat elektronien spinit ovat vuorovaikutuksessa samojen laserpulssien kanssa, joita käytetään manipuloimaan ja lukemaan NV-keskusta. Laservalo voi saada aikaan muutoksia pinnan varaustilassa, jolloin parittomat elektronit hyppäävät eri atomikohtien välillä. Tämä liike tuottaa lisäaikaa{2}}vaihtelevia magneettikenttiä, jotka puolestaan synnyttävät ylimääräistä kohinaa."
Tunnistamalla hallitsevat mikroskooppiset kohinakanavat tutkimus tarjoaa etenemissuunnitelman NV-pohjaisten kvanttilaitteiden parantamiseen, mikä vaikuttaa suoraan kvanttitunnistukseen ja tiedonkäsittelyyn.
"Kun otamme huomioon elektronien liikkeen pinnalla, teoria ja koe asettuvat lopulta yhteen", Nagura sanoi.
