Un nou estudi teòric dirigit per investigadors de la Universitat de Chicago i el Laboratori Nacional d'Argonne ha identificat els mecanismes microscòpics pels quals les superfícies del diamant afecten la coherència quàntica dels defectes dels centres-vacants (NV) de nitrogen-del diamant que sustenten alguns dels sensors quàntics més sensibles actuals. L'estudi ha aparegut aMaterials de revisió físicai va ser seleccionat per ser un article de suggeriments dels editors.
"Un repte de llarg-ha estat entendre per què els centres de NV poc profunds perden coherència tan ràpidament", va dir Giulia Galli, professora de l'Escola Pritzker d'Enginyeria Molecular de la Universitat de Chicago (UChicago PME) i científica sènior del Laboratori Nacional d'Argonne. "En combinar els primers-principis models de superfície amb simulacions de dinàmica quàntica, vam entendre que el culpable de la decoherència no és només quins girs viuen a la superfície del diamant, sinó com es mouen: el soroll superficial és dinàmic".
Les conclusions de l'estudi proporcionen directrius clares i basades en la física-per a l'enginyeria de superfícies de diamant que ajuden a preservar la coherència quàntica, un requisit clau per a la detecció quàntica i les tecnologies de la informació quàntica emergents.
Els centres NV són defectes a escala-atòmica del diamant els estats d'espín quàntic dels quals es poden inicialitzar, controlar i llegir òpticament a temperatura ambient. Quan es col·loquen a prop d'una superfície de diamant, els centres NV poden detectar senyals magnètics i elèctrics extremadament febles de molècules, materials i sistemes biològics. No obstant això, aquesta proximitat també els exposa a sorolls relacionats amb la superfície-, com ara defectes paramagnètics fluctuants i soroll de càrrega o de camp elèctric-, que degrada ràpidament la seva coherència quàntica i limita el rendiment del sensor.
"A la literatura, els orígens del soroll superficial s'han anomenat sovint" girs X "o" girs foscos ", perquè no es va entendre la naturalesa microscòpica precisa del soroll i pot provenir de llocs òpticament inactius", va dir UChicago PME Ph.D. el candidat Jonah Nagura, autor principal de l'estudi. "La nostra investigació ajuda a identificar exactament què és sorollós a la superfície i estableix un camí per eliminar el soroll perquè es pugui crear sensors quàntics més avançats i potents".
En aquest treball, els investigadors van combinar models atomístics basats en la teoria funcional de la densitat-de superfícies de diamant amb simulacions avançades de decoherència quàntica per identificar i aïllar els mecanismes de soroll superficial dominant.
"Durant el procés de fabricació de superfícies de diamant per a aplicacions de detecció, es poden crear defectes superficials no desitjats, inclosos el que anomenem enllaços penjants", va dir Nagura. "Alguns d'aquests defectes poden albergar electrons no aparellats, girs paramagnètics que fluctuen amb el temps i generen soroll magnètic que pertorba el centre NV. Aquest soroll pot reduir la coherència del NV i pot enfosquir els febles senyals objectiu que es vol mesurar".
L'estudi mostra que la forma en què la superfície acaba químicament té un profund impacte en la coherència de NV. Els càlculs de Nagura van demostrar que les superfícies acabades amb oxigen- i nitrogen-preserven en gran part una coherència propera-fins i tot per als centres NV a només uns pocs nanòmetres per sota de la superfície. Per contra, les superfícies acabades amb hidrogen- i fluor-introdueixen un soroll magnètic relacionat amb la superfície-molt més fort, que escurça dràsticament els temps de coherència.
"No obstant això, tot i que la química de terminació i l'orientació de les facetes són importants, hem trobat que és la relaxació-electrònica superficial i el salt el que domine la coherència dels NV poc profunds", va dir Nagura.
"Els girs d'electrons presents a la superfície interactuen amb els mateixos polsos làser que s'utilitzen per manipular i llegir el centre NV. La llum làser pot provocar canvis en l'estat de càrrega superficial, provocant que els electrons no aparellats saltin entre diferents llocs atòmics. Aquest moviment produeix camps magnètics variables de temps addicional que al seu torn generen soroll addicional".
En identificar els canals de soroll microscòpics dominants, l'estudi proporciona un full de ruta per millorar els dispositius quàntics basats en NV-, amb implicacions directes per a la detecció quàntica i el processament de la informació.
"Una vegada que tenim en compte el moviment dels electrons a la superfície, la teoria i l'experiment finalment s'alineen", va dir Nagura.
