ספינים כהים יכולים להגביר את הביצועים של מכשירים קוונטיים מבוססי יהלומים

ניתן להגביר את הביצועים של כמה טכנולוגיות קוונטיות על ידי ניצול אינטראקציות בין מרכזי חנקן פנויים (NV) ופגמים על פני היהלום - על פי מחקר שנעשה על ידי שני צוותים בלתי תלויים של מדענים בארה"ב.

מרכזי NV ביהלום התגלו כפלטפורמה מבטיחה במצב מוצק לחישה קוונטית ועיבוד מידע. הם פגמים בסריג היהלום שבהם שני אטומי פחמן מוחלפים באטום חנקן בודד, ומשאירים אתר סריג אחד פנוי. מרכזי NV הם מערכת ספין דו-מפלסית שלתוכה ניתן לכתוב ולקרוא מידע קוונטי באמצעות אור לייזר ומיקרוגל. תכונה חשובה של מרכזי NV היא שברגע שהם הוכנסו למצב קוונטי ספציפי, הם יכולים להישאר במצב זה למשך זמן "קוהרנטיות" ארוך יחסית - מה שהופך אותם לשימושים טכנולוגיים.

מאוד רגיש

מרכזי NV רגישים מאוד לשדות מגנטיים, מה שאומר שניתן להשתמש בהם ליצירת חיישני שדה מגנטי בעלי ביצועים גבוהים עבור מגוון רחב של יישומים. עם זאת, לרגישות זו יש את החיסרון שלה מכיוון שמקורות של רעש מגנטי עלולים לפגוע בביצועים של מרכזי NV.

מקור אחד לרעש מגנטי הוא האינטראקציות בין מרכזי NV והספינים של אלקטרונים לא מזווגים על פני היהלום. לא ניתן לזהות ספינים אלו באמצעות טכניקות אופטיות, ולכן הם מכונים "ספינים אפלים".

כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם מרכזי NV, ספינים כהים יכולים להרוס מידע קוונטי המאוחסן במרכז NV או להפחית את הביצועים של חיישנים מבוססי NV. ניתן למזער אינטראקציות כאלה על ידי שימוש במרכזי NV שנמצאים עמוק יותר בתוך חלק הארי של היהלום. עם זאת, פתרון זה מקשה על השימוש בהם כדי לחוש שדות מגנטיים על פני סולמות אורך קצרים מאוד - דבר שימושי לחקר ספינים בודדים, גרעינים או מולקולות.

שימושי טכנולוגית

בגלל הקושי לזהות ספינים אפלים, התנהגותם נותרה בעיקר בגדר תעלומה. עם זאת, מחקרים קודמים הראו שלספינים כהים יש זמני קוהרנטיות ארוכים, מה שיכול להפוך אותם לשימושיים בטכנולוגיות קוונטיות.

שני הצוותים בדקו אינטראקציות בין מרכזי NV וספינים אפלים באמצעות תהודה כפולה של אלקטרונים-אלקטרון (DEER). זוהי טכניקה שקובעת את המרחק בין זוגות של ספינים של אלקטרונים על ידי הפעלת פולסים של מיקרוגל על ​​שניהם בו זמנית.

צוות אחד בראשות נטלי דה ליאון באוניברסיטת פרינסטון השתמשו במדידות DEER כדי לפתח מודל של האופן שבו זמני הקוהרנטיות של מרכז NV משתנים בהתאם לעומקם מתחת לפני השטח של היהלום. הצוות גם גילה שהספינים האפלים אינם סטטיים, אלא "הופ" בין אתרים על פני השטח. תגליות אלו מצביעות על כך שניתן לייעל טכנולוגיות מבוססות NV על ידי בחירת עומק מתאים למרכזי NV - ועל ידי פיתוח דרכים לשלוט בקפיצה של ספינים אפלים.

שקיעת אדים כימית

בינתיים צוות בראשות נורמן יאו באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי השתמש בטכניקות דומות כדי לחקור כיצד מרכזי NV מקיימים אינטראקציה עם סוג אחר של ספין כהה הנקרא P1s. אלה נוצרו על משטח יהלום על ידי שקיעת אדים כימית של חנקן.

מהפכת היהלומים הקוונטית

בניסוי אחד הכינו החוקרים אמבטיה מאוכלסת בדלילות של P1s כך שאינטראקציות הדדיות בין מרכזי NV שלטו על השפעת ה-P1s. במקרה זה, הם יכולים להשתמש בפולסים במיקרוגל כדי לנתק באופן סלקטיבי את מרכזי ה-NV זה מזה או מהזיהומים. מחקר זה גילה שבמקרה זה אינטראקציות בין מרכזי NV שלטו בתהליך הדקוהרנטיות, ולא אינטראקציות בין מרכזי NV ל-P1s.

עם זאת, כאשר יאו ועמיתיו הכינו אמבט צפוף יותר של P1s, הם יכלו להשתמש באינטראקציות כדי להחליף מידע קוונטי בין מרכזי NV ל-P1s. סביבה קוונטית עשירה זו עשויה להיות שימושית במיוחד לביצוע הדמיות קוונטיות הכוללות ספינים רבים באינטראקציה - כולל ביומולקולות מורכבות ומצבים אקזוטיים של חומר.

הצוות של יאו מתאר את עבודתו ב נייר על arXiv שהתקבלה לפרסום ב פיזיקת טבע. דה ליאון ועמיתיו מציגים את ממצאיהם ב סקירה גופנית X.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/dark-spins-could-boost-the-performance-of-diamond-based-quantum-devices/