Kajian teori baharu yang diketuai oleh penyelidik di University of Chicago dan Argonne National Laboratory telah mengenal pasti mekanisme mikroskopik yang mana permukaan berlian mempengaruhi koheren kuantum pusat-kekosongan (NV) nitrogen-kecacatan dalam berlian yang menyokong beberapa penderia kuantum paling sensitif hari ini. Kajian telah muncul dalamBahan Kajian Fizikaldan telah dipilih untuk menjadi kertas Cadangan Editor.
"Satu cabaran-yang telah lama wujud ialah memahami sebab pusat NV cetek kehilangan koheren dengan begitu cepat," kata Giulia Galli, profesor di Universiti Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) dan saintis kanan di Argonne National Laboratory. "Dengan menggabungkan model permukaan-prinsip pertama dengan simulasi dinamik kuantum, kami memahami bahawa punca ketidakselarasan bukan sahaja yang berputar secara langsung pada permukaan berlian, tetapi cara ia bergerak: bunyi permukaan adalah dinamik."
Penemuan kajian menyediakan garis panduan yang jelas dan berasaskan fizik-untuk permukaan berlian kejuruteraan yang membantu mengekalkan keselarasan kuantum, keperluan utama untuk penderiaan kuantum dan teknologi maklumat kuantum yang muncul.
Pusat NV ialah kecacatan berskala atom-pada berlian yang keadaan putaran kuantumnya boleh dimulakan, dikawal dan dibaca secara optik pada suhu bilik. Apabila diletakkan berdekatan dengan permukaan berlian, pusat NV boleh mengesan isyarat magnet dan elektrik yang sangat lemah daripada molekul, bahan dan sistem biologi. Namun kedekatan ini juga mendedahkan mereka kepada-bunyi yang berkaitan dengan permukaan, seperti kecacatan paramagnet yang berubah-ubah dan cas atau hingar medan-elektrik, yang merendahkan koheren kuantumnya dengan cepat dan mengehadkan prestasi penderia.
"Dalam kesusasteraan, asal-usul bunyi permukaan sering dipanggil 'putaran X' atau 'putaran gelap,' kerana sifat mikroskopik yang tepat bagi bunyi itu tidak difahami, dan ia mungkin berpunca daripada tapak optik yang tidak aktif," kata UChicago PME Ph.D. calon Jonah Nagura, pengarang utama kajian itu. "Penyelidikan kami membantu menentukan dengan tepat apa yang bising di permukaan dan menetapkan laluan untuk menghapuskan hingar supaya seseorang boleh mencipta penderia kuantum yang lebih maju dan berkuasa."
Dalam kerja ini, penyelidik menggabungkan teori fungsi ketumpatan-model atomistik permukaan berlian dengan simulasi penyahkoheren kuantum lanjutan untuk mengenal pasti dan mengasingkan mekanisme hingar permukaan yang dominan.
"Semasa proses fabrikasi permukaan berlian untuk aplikasi penderiaan, kecacatan permukaan yang tidak diingini mungkin diwujudkan, termasuk apa yang kami panggil bon berjuntai," kata Nagura. "Sesetengah daripada kecacatan ini boleh menjadi tuan rumah elektron tidak berpasangan, putaran paramagnet yang turun naik dari semasa ke semasa dan menghasilkan bunyi magnet yang mengganggu pusat NV. Bunyi itu boleh mengurangkan koheren NV dan boleh mengaburkan isyarat sasaran yang lemah yang ingin diukur."
Kajian menunjukkan bahawa cara permukaan ditamatkan secara kimia, mempunyai kesan yang mendalam terhadap koheren NV. Pengiraan Nagura menunjukkan bahawa oksigen- dan nitrogen-permukaan sebahagian besarnya mengekalkan hampir-koheren pukal walaupun untuk pusat NV hanya beberapa nanometer di bawah permukaan. Sebaliknya, permukaan terhenti hidrogen- dan fluorin-memperkenalkan bunyi magnet permukaan yang lebih kuat-yang memendekkan masa koheren secara drastik.
"Walau bagaimanapun, walaupun kimia penamatan dan orientasi facet penting, kami mendapati bahawa ia adalah-kelonggaran elektron permukaan dan lompatan yang menguasai keselarasan NV cetek," kata Nagura.
"Putaran elektron yang terdapat pada permukaan berinteraksi dengan denyutan laser yang sama yang digunakan untuk memanipulasi dan membaca pusat NV. Cahaya laser boleh memacu perubahan dalam keadaan cas permukaan, menyebabkan elektron tidak berpasangan melompat antara tapak atom yang berbeza. Pergerakan itu menghasilkan masa tambahan-medan magnet yang berbeza-beza yang seterusnya menghasilkan bunyi tambahan."
Dengan mengenal pasti saluran hingar mikroskopik yang dominan, kajian ini menyediakan peta jalan untuk meningkatkan-peranti kuantum berasaskan NV, dengan implikasi langsung untuk penderiaan kuantum dan pemprosesan maklumat.
"Sebaik sahaja kita mengambil kira pergerakan elektron di permukaan, teori dan eksperimen akhirnya berbaris, " kata Nagura.
