Chikago universiteti va Argonna milliy laboratoriyasi tadqiqotchilari tomonidan olib borilgan yangi nazariy tadqiqot olmos yuzalarining azot{0}}vakansiya (NV) markazlari-ning hozirgi eng sezgir kvant sensorlarining asosini tashkil etuvchi olmosdagi nuqsonlarning kvant kogerentligiga ta'sir qilishining mikroskopik mexanizmlarini aniqladi. Tadqiqot paydo bo'ldiJismoniy tekshiruv materiallariva muharrir tavsiyanomasi sifatida tanlandi.
Chikago Pritsker universiteti molekulyar muhandislik maktabi (UChicago PME) professori va Argonna Milliy laboratoriyasining katta olimi Giulia Galli: “Koʻpdan beri{0}}bir muammo sayoz NV markazlari nega tez uygʻunlikni yoʻqotayotganini tushunish edi. “Birinchi{2}}prinsiplarning sirt modellarini kvant dinamikasi simulyatsiyalari bilan birlashtirib, biz dekogerentlik aybdori faqat olmos yuzasida qaysi spinlar yashashi emas, balki ular qanday harakat qilishida ekanligini tushundik: sirt shovqini dinamikdir.”
Tadqiqot natijalari kvant zondlash va rivojlanayotgan kvant axborot texnologiyalari uchun asosiy talab boʻlgan kvant kogerentligini saqlashga yordam beradigan olmos yuzalarini muhandislik qilish uchun aniq, fizika{0}}asoslangan koʻrsatmalar beradi.
NV markazlari olmosdagi atomik miqyosdagi nuqsonlar boʻlib, ularning kvant spin holatini xona haroratida boshlash, boshqarish va optik jihatdan oʻqish mumkin. Olmos yuzasiga yaqin joylashganda, NV markazlari molekulalardan, materiallardan va biologik tizimlardan juda zaif magnit va elektr signallarini aniqlay oladi. Shunga qaramay, bu yaqinlik ularni -oʻzgaruvchan paramagnit nuqsonlar va zaryad yoki elektr maydon shovqinlari kabi sirt shovqinlariga ham taʼsir qiladi, bu esa ularning kvant kogerentligini tezda pasaytiradi va sensor ish faoliyatini cheklaydi.
"Adabiyotda sirt shovqinining kelib chiqishi ko'pincha "X spin" yoki "qorong'u aylanishlar" deb nomlanadi, chunki shovqinning aniq mikroskopik tabiati tushunilmagan va u optik jihatdan faol bo'lmagan joylardan kelib chiqishi mumkin", dedi UChicago PME Ph.D. nomzod Jonah Nagura, tadqiqotning bosh muallifi. "Bizning tadqiqotimiz sirtda nima shovqin borligini aniq aniqlashga yordam beradi va shovqinni yo'q qilish yo'lini belgilaydi, shunda yanada rivojlangan, kuchli kvant sensorlarini yaratish mumkin."
Ushbu ishda tadqiqotchilar dominant sirt shovqin mexanizmlarini aniqlash va izolyatsiya qilish uchun{0}}olmos yuzalarining zichlik funktsional nazariyasiga asoslangan atomistik modellarini ilg'or kvant dekogerentlik simulyatsiyalari bilan birlashtirdilar.
"Zangi ilovalar uchun olmos yuzalarini ishlab chiqarish jarayonida kiruvchi sirt nuqsonlari, shu jumladan biz osilgan bog'lanishlar deb ataladigan narsalar paydo bo'lishi mumkin", dedi Nagura. "Ushbu nuqsonlarning ba'zilari vaqt o'tishi bilan o'zgarib turadigan va NV markazini bezovta qiladigan magnit shovqinlarni keltirib chiqaradigan paramagnit spinlarni, ajratilmagan elektronlarni o'z ichiga olishi mumkin. Bu shovqin NVning kogerentligini kamaytirishi va o'lchashni istagan zaif nishon signallarini yashirishi mumkin."
Tadqiqot shuni ko'rsatadiki, sirtning kimyoviy jihatdan tugashi NV kogerentligiga chuqur ta'sir qiladi. Nagura hisob-kitoblari shuni ko'rsatdiki, kislorod- va azot-bilan tugallangan sirtlar, hatto sirtdan bir necha nanometr pastda joylashgan NV markazlari uchun ham-yaqin kogerentlikni saqlab qoladi. Aksincha, vodorod- va ftor{6}}bilan tugallangan yuzalar kogerentlik vaqtini keskin qisqartiruvchi-magnit shovqinni ancha kuchliroq keltirib chiqaradi.
"Ammo, tugatish kimyosi va faset orientatsiyasi muhim boʻlsa-da, biz sayoz NVlarning kogerentligida ustunlik qiladigan{0}}elektronlarning sirt relaksatsiyasi va sakrashi ekanligini aniqladik", dedi Nagura.
"Sirtda mavjud bo'lgan elektron spinlari NV markazini boshqarish va o'qish uchun ishlatiladigan bir xil lazer impulslari bilan o'zaro ta'sir qiladi. Lazer nuri sirt zaryad holatidagi o'zgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin, bu esa juftlashtirilmagan elektronlarning turli atom ob'ektlari o'rtasida sakrashiga olib keladi. Bu harakat qo'shimcha vaqt-o'zgaruvchan magnit maydonlarni hosil qiladi, bu esa o'z navbatida qo'shimcha shovqin hosil qiladi."
Dominant mikroskopik shovqin kanallarini aniqlash orqali tadqiqot NV{0}}asosidagi kvant qurilmalarini takomillashtirish boʻyicha yoʻl xaritasini taqdim etadi, bu esa kvantni sezish va axborotni qayta ishlashga bevosita taʼsir qiladi.
"Biz sirtdagi elektron harakatini hisobga olganimizdan so'ng, nazariya va tajriba nihoyat bir xilda", dedi Nagura.
