Naukowcy z Uniwersytet w Chicago odkryli, jak poprawić wydajność czujników kwantowych opartych na diamentach, badając defekty na poziomie atomowym.
Czujniki te, które wykorzystują centra wakancji azotu (NV) w diamentach do pomiaru pól magnetycznych, często borykają się z zakłóceniami powodowanymi przez pobliskie defekty. Nowa metoda izoluje te przełomowe elementy, co stanowi nadzieję na lepsze czujniki do przyszłego zastosowania w technologiach nawigacji i opiece zdrowotnej.
Wady kwantowe i ich zastosowania
Defekty kwantowe mają ogromny potencjał jako ultraczułe czujniki, które mogą znaleźć zastosowanie w zaawansowanych systemach nawigacji i technologiach wykrywania biologicznego.
Kluczowym przykładem takich systemów są centra wakatów azotu (NV) w diamentach, które umożliwiają pomiary nanoskala pola magnetyczne. Te centra NV są indywidualnymi defektami diamentu, w których atomy azotu zastępują atomy węgla. Choć naukowcy mogą kontrolować spin kwantowy tych ośrodków NV, nadal stoją przed nimi wyzwania związane z izolowaniem tego spinu od spinów innych pobliskich defektów w materiale. Te sąsiednie spiny mogą zakłócić pamięć kwantową, czyli spójność, ośrodka NV.
Aby uwolnić pełny potencjał tych czujników, badacze muszą zrozumieć zachowanie materiału na poziomie atomowym. W niedawnych badaniach przeprowadzonych w Szkole Inżynierii Molekularnej Pritzkera (PME) na Uniwersytecie w Chicago zespół prof. Davida Awschaloma opracował nową metodę wykorzystania spinu centrum NV do pomiaru zachowania innych defektów pojedynczych elektronów w diamencie.
To nowe spostrzeżenie, opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego zgodnie z sugestią redaktorów ma doprowadzić do ulepszonych czujników kwantowych o dłuższych czasach koherencji, zwiększając ich ogólną wydajność.
„Opracowaliśmy sposób, aby zobaczyć pewne zachowanie pojedynczych kwantowych stanów spinowych, które w innym przypadku okazałyby się nieuchwytne dla standardowych pomiarów” – powiedział Awschalom. „Będzie to miało wpływ zarówno na sposób, w jaki konstruujemy systemy kwantowe, jak i na to, jak myślimy o ładunku w wielu materiałach”.
Udoskonalanie technik pomiarowych w układach kwantowych
Zespół badawczy kierowany przez absolwenta studiów doktoranckich PME i obecnego doktora habilitowanego w Argonne Jonathana Marcksa, zespół badawczy syntetyzuje te centra NV w obiektach w Argonne National Laboratory. Uprawiają diament warstwa po warstwie poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej i mogą wprowadzić zaledwie kilka nanometrów domieszek azotu, aby utworzyć pojedyncze centra NV.
Te pojedyncze defekty spinowe są wysoce spójne, ale ich spin jest nadal wrażliwy na zachowanie innych defektów spinowych w materiale. Dzieje się tak dlatego, że niezależnie od tego, jak starannie hoduje się diament, zawsze kończą się to niezamierzonymi defektami azotu, które mają swój własny charakter. Powoduje to dekoherencję w układzie, co wpływa na jego użyteczność jako czujnika.
„Nawet jeśli mamy dobrą kontrolę nad tym, gdzie umieszczamy azot, zawsze pojawia się hałas w tle” – powiedział Marcks. „Ponieważ chcemy rozwijać wysoce spójne centra pustek azotowych, chcieliśmy lepiej zrozumieć, jak zachowują się otaczające defekty i jak się ze sobą łączą”.
Będzie to miało wpływ zarówno na sposób, w jaki konstruujemy systemy kwantowe, jak i na to, jak myślimy o ładunku w wielu materiałach”.
Prof. David Awschalom
Nowe spojrzenie na dynamikę ładunków elektronów
Aby lepiej zrozumieć te defekty elektroniczne pojedynczego azotu, zespół użył lasera i domowego systemu mikroskopowego do pomiaru środka NV. Liczba fotonów emitowanych przez centrum NV zależy od stanu spinu centrum NV. Ponieważ centra te oddziałują z innymi spinami, zespół zdał sobie sprawę, że może wykorzystać centrum NV jako czujnik w skali nano pobliskiego ładunku elektronów azotowych, który w przeciwnym razie byłby niewidoczny.
Dzięki temu procesowi uzyskali pierwszą w historii obserwację sprzężonej dynamiki spinu i ładunku w tym materiale — aż do pojedynczych defektów.
„Spodziewaliśmy się, że wszystkie defekty azotu będą miały tylko jeden stan naładowania, ale w rzeczywistości przemieszczają się tam i z powrotem i nie zawsze będą w tym samym stanie naładowania” – powiedział Marcks. „To różni się od tego, co zakładaliśmy na podstawie fizyki ciała stałego”.
Zespół połączył siły z profesorami Aashishem Clerk i profesor Giulią Galli, których zespoły zapewniły narzędzia teoretyczne i obliczeniowe, które pozwoliły badaczom lepiej zrozumieć swoje obserwacje.
Ostatecznie zespół wykorzysta tę wiedzę nie tylko do lepszego zrozumienia zachowania tych systemów materialnych, ale także do zbudowania lepszych czujników kwantowych.
„Łącząc eksperyment, teorię i obliczenia, mamy pomysły, jak stworzyć wyjątkowo czyste materiały na potrzeby pojawiających się technologii kwantowych i kontrolować niektóre z tych wewnętrznych źródeł hałasu” – powiedział Galli.
Odniesienie: „Quantum Spin Probe of Single Charge Dynamics” Jonathana C. Marcksa, Mykyty Onizhuka, Yu-Xin Wanga, Yizhi Zhu, Yu Jina, Benjamina S. Solowaya, Masaya Fukami, Nazara Delegana, F. Josepha Heremansa, Aashisha A. Urzędnik, Giulia Galli i David D. Awschalom, 25 września 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.130802
Inni autorzy artykułu to Mykyta Onizhuk, Yu-Xin Wang, Yizhi Zhu, Yu Jin, Benjamin S. Soloway, Masaya Fukami, Nazar Delegan i F. Joseph Heremans.
Finansowanie: Departament Energii USA, Departament Obrony USA (AFOSR), Narodowa Fundacja Nauki
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowe Centra Badań Naukowych nad Informacją Kwantową w ramach centrum Q-NEXT.
