Chicago Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar tarafından yürütülen yeni bir teorik çalışma, elmas yüzeylerinin, günümüzün en hassas kuantum sensörlerinden bazılarının temelini oluşturan elmastaki nitrojen-boşluk (NV) merkezlerinin-kusurlarının kuantum tutarlılığını etkilediği mikroskobik mekanizmaları tanımladı. Çalışma şu tarihte ortaya çıktı:Fiziksel İnceleme Materyallerive Editörün Önerisi makalesi olarak seçildi.
Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu'nda (UChicago PME) profesör ve Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda kıdemli bilim adamı olan Giulia Galli, "-uzun süredir devam eden zorluklardan biri, sığ NV merkezlerinin tutarlılığını neden bu kadar çabuk kaybettiğini anlamak olmuştur" dedi. "İlk-ilke yüzey modellerini kuantum dinamiği simülasyonlarıyla birleştirerek, eşevresizliğin suçlusunun yalnızca elmas yüzeyinde hangi dönüşlerin yaşadığı değil, aynı zamanda nasıl hareket ettikleri olduğunu anladık: yüzey gürültüsü dinamiktir."
Araştırmanın bulguları, kuantum algılama ve yeni ortaya çıkan kuantum bilgi teknolojileri için temel bir gereklilik olan kuantum tutarlılığının korunmasına yardımcı olan elmas yüzeylerinin mühendisliğine yönelik net, fizik{0}}tabanlı yönergeler sağlıyor.
NV merkezleri, elmastaki kuantum dönüş durumları oda sıcaklığında başlatılabilen, kontrol edilebilen ve optik olarak okunabilen atomik-ölçekli kusurlardır. NV merkezleri elmas yüzeyine yakın yerleştirildiğinde moleküllerden, malzemelerden ve biyolojik sistemlerden gelen son derece zayıf manyetik ve elektrik sinyallerini tespit edebilir. Ancak bu yakınlık aynı zamanda onları dalgalanan paramanyetik kusurlar ve yük veya elektrik-alan gürültüsü gibi yüzeyle ilgili gürültülere de maruz bırakır; bunlar kuantum tutarlılığını hızla bozar ve sensör performansını sınırlar.
UChicago PME Ph.D. "Literatürde, yüzey gürültüsünün kökenleri sıklıkla 'X dönüşleri' veya 'karanlık dönüşler' olarak adlandırılmıştır, çünkü gürültünün kesin mikroskobik doğası anlaşılmamıştır ve optik olarak aktif olmayan bölgelerden kaynaklanıyor olabilir" dedi. aday Jonah Nagura, çalışmanın baş yazarı. "Araştırmamız yüzeyde neyin gürültülü olduğunu tam olarak belirlemeye yardımcı oluyor ve daha gelişmiş, güçlü kuantum sensörleri oluşturabilmek için gürültüyü ortadan kaldırmanın yolunu belirliyor."
Bu çalışmada araştırmacılar, baskın yüzey gürültüsü mekanizmalarını tanımlamak ve izole etmek için elmas yüzeylerinin yoğunluk fonksiyonel teorisi-tabanlı atomistik modellerini gelişmiş kuantum uyumsuzluk simülasyonlarıyla birleştirdi.
Nagura, "Algılama uygulamaları için elmas yüzeylerin üretim süreci sırasında, sarkan bağlar dediğimiz şeyler de dahil olmak üzere istenmeyen yüzey kusurları yaratılabilir" dedi. "Bu kusurlardan bazıları eşleşmemiş elektronları, zamanla dalgalanan paramanyetik dönüşleri barındırabilir ve NV merkezini bozan manyetik gürültü oluşturabilir. Bu gürültü NV'nin tutarlılığını azaltabilir ve ölçmek istenen zayıf hedef sinyallerini gizleyebilir."
Çalışma, yüzeyin kimyasal olarak sonlandırılma şeklinin NV tutarlılığı üzerinde derin bir etkiye sahip olduğunu gösteriyor. Nagura'nın hesaplamaları, oksijen- ve nitrojen- ile sonlanan yüzeylerin, yüzeyin yalnızca birkaç nanometre altındaki NV merkezleri için bile neredeyse-yığın tutarlılığını büyük ölçüde koruduğunu gösterdi. Buna karşılık, hidrojen- ve florin-sonlu yüzeyler, yüzeye-bağlı çok daha güçlü manyetik gürültüye neden olur ve bu da tutarlılık sürelerini büyük ölçüde kısaltır.
Nagura, "Ancak sonlandırma kimyası ve yüzey yönelimi önemli olsa da sığ NV'lerin tutarlılığına hakim olan şeyin yüzey-elektron gevşemesi ve sıçraması olduğunu bulduk" dedi.
"Yüzeyde bulunan elektron dönüşleri, NV merkezini manipüle etmek ve okumak için kullanılan aynı lazer darbeleriyle etkileşime girer. Lazer ışığı, yüzey yük durumundaki değişiklikleri yönlendirerek eşleşmemiş elektronların farklı atom bölgeleri arasında sıçramasına neden olabilir. Bu hareket, zamanla değişen ek manyetik alanlar üretir ve bu da ekstra gürültü üretir."
Çalışma, baskın mikroskobik gürültü kanallarını tanımlayarak, NV-tabanlı kuantum cihazlarının iyileştirilmesine yönelik, kuantum algılama ve bilgi işlemeye doğrudan etkileri olan bir yol haritası sağlıyor.
Nagura, "Yüzeydeki elektron hareketini hesaba kattığımızda, teori ve deney nihayet aynı hizaya geliyor" dedi.
