Một nghiên cứu lý thuyết mới do các nhà nghiên cứu tại Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne dẫn đầu đã xác định được các cơ chế vi mô mà qua đó các bề mặt kim cương ảnh hưởng đến sự kết hợp lượng tử của các khiếm khuyết-khiếm khuyết nitơ (NV)-trong kim cương làm cơ sở cho một số cảm biến lượng tử nhạy cảm nhất hiện nay. Nghiên cứu đã xuất hiện trongTài liệu đánh giá vật lývà được chọn làm bài viết Gợi ý của Biên tập viên.
Giulia Galli, giáo sư tại Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker của Đại học Chicago (UChicago PME) và nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne cho biết: "Một thách thức tồn tại lâu dài là tìm hiểu lý do tại sao các trung tâm NV nông lại mất đi sự gắn kết nhanh chóng". "Bằng cách kết hợp-các mô hình bề mặt theo nguyên lý đầu tiên với mô phỏng động lực lượng tử, chúng tôi hiểu rằng thủ phạm của sự mất kết hợp không chỉ là các spin tồn tại trên bề mặt kim cương mà còn là cách chúng di chuyển: nhiễu bề mặt là động lực học."
Những phát hiện của nghiên cứu này cung cấp những hướng dẫn rõ ràng,{0}}dựa trên vật lý để chế tạo bề mặt kim cương giúp duy trì sự kết hợp lượng tử, một yêu cầu quan trọng đối với cảm biến lượng tử và các công nghệ thông tin lượng tử mới nổi.
Trung tâm NV là các khuyết tật ở cấp độ nguyên tử{0}}trong kim cương có trạng thái spin lượng tử có thể được khởi tạo, kiểm soát và đọc bằng phương pháp quang học ở nhiệt độ phòng. Khi được đặt gần bề mặt kim cương, trung tâm NV có thể phát hiện các tín hiệu từ và điện cực yếu từ các phân tử, vật liệu và hệ thống sinh học. Tuy nhiên, khoảng cách gần này cũng khiến chúng gặp phải nhiễu liên quan đến bề mặt, chẳng hạn như dao động khuyết tật thuận từ và nhiễu điện trường hoặc điện trường, làm suy giảm nhanh chóng sự kết hợp lượng tử của chúng và hạn chế hiệu suất cảm biến.
UChicago PME Ph.D. ứng cử viên Jonah Nagura, tác giả chính của nghiên cứu. "Nghiên cứu của chúng tôi giúp xác định chính xác những gì gây nhiễu trên bề mặt và đặt ra con đường loại bỏ tiếng ồn để người ta có thể tạo ra các cảm biến lượng tử mạnh mẽ, tiên tiến hơn."
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các mô hình nguyên tử dựa trên lý thuyết hàm mật độ-của bề mặt kim cương với mô phỏng mất kết hợp lượng tử tiên tiến để xác định và tách biệt các cơ chế nhiễu bề mặt chiếm ưu thế.
Nagura cho biết: “Trong quá trình chế tạo bề mặt kim cương cho các ứng dụng cảm biến, có thể tạo ra các khuyết tật bề mặt không mong muốn, bao gồm cả những gì chúng tôi gọi là liên kết lơ lửng”. “Một số khiếm khuyết này có thể chứa các electron chưa ghép cặp, các spin thuận từ dao động theo thời gian và tạo ra nhiễu từ làm nhiễu loạn trung tâm NV. Tiếng ồn đó có thể làm giảm sự kết hợp của NV và có thể che khuất các tín hiệu mục tiêu yếu mà người ta muốn đo.”
Nghiên cứu cho thấy cách bề mặt được kết thúc về mặt hóa học có tác động sâu sắc đến sự kết hợp NV. Các tính toán của Nagura cho thấy rằng các bề mặt kết thúc bằng oxy- và nitơ- phần lớn bảo toàn được sự kết hợp gần{3}}khối lượng lớn ngay cả đối với các trung tâm NV chỉ cách bề mặt vài nanomet. Ngược lại, các bề mặt kết thúc bằng hydro- và flo{6}}gây ra nhiễu từ liên quan đến bề mặt mạnh hơn-, giúp rút ngắn đáng kể thời gian kết hợp.
Nagura cho biết: "Tuy nhiên, trong khi hóa học kết thúc và định hướng khía cạnh đóng vai trò quan trọng, chúng tôi nhận thấy rằng chính sự giãn nở và nhảy vọt của các điện tử bề mặt{0}}đã chi phối sự kết hợp của các NV nông".
"Các spin electron hiện diện trên bề mặt tương tác với cùng các xung laser được sử dụng để thao tác và đọc trung tâm NV. Ánh sáng laser có thể tạo ra những thay đổi trong trạng thái điện tích bề mặt, khiến các electron chưa ghép cặp nhảy giữa các vị trí nguyên tử khác nhau. Chuyển động đó tạo ra thêm-từ trường thay đổi theo thời gian, từ đó tạo ra thêm tiếng ồn."
Bằng cách xác định các kênh nhiễu cực nhỏ chiếm ưu thế, nghiên cứu này đưa ra lộ trình cải thiện các thiết bị lượng tử dựa trên NV, có tác động trực tiếp đến cảm biến lượng tử và xử lý thông tin.
Nagura nói: “Sau khi chúng tôi giải thích được chuyển động của electron trên bề mặt, lý thuyết và thí nghiệm cuối cùng cũng phù hợp với nhau.
