Une nouvelle étude théorique menée par des chercheurs de l'Université de Chicago et du Laboratoire national d'Argonne a identifié les mécanismes microscopiques par lesquels les surfaces de diamant affectent la cohérence quantique des défauts des -centres de lacunes (NV) d'azote-dans le diamant qui sont à la base de certains des capteurs quantiques les plus sensibles d'aujourd'hui. L'étude est parue dansDocuments d'examen physiqueet a été sélectionné pour être un article de suggestion des éditeurs.
"Un défi de longue date consiste à comprendre pourquoi les centres NV peu profonds perdent si rapidement leur cohérence", a déclaré Giulia Galli, professeur à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago (UChicago PME) et scientifique principale au Argonne National Laboratory. "En combinant des modèles de surface fondés sur les premiers principes avec des simulations de dynamique quantique, nous avons compris que le coupable de la décohérence n'est pas seulement les spins qui vivent sur la surface du diamant, mais aussi la manière dont ils se déplacent : le bruit de surface est dynamique."
Les résultats de l'étude fournissent des lignes directrices claires-basées sur la physique pour l'ingénierie des surfaces de diamant qui aident à préserver la cohérence quantique, une exigence clé pour la détection quantique et les technologies émergentes de l'information quantique.
Les centres NV sont des défauts à l'échelle atomique-dans le diamant dont les états de spin quantique peuvent être initialisés, contrôlés et lus optiquement à température ambiante. Lorsqu'ils sont placés à proximité d'une surface de diamant, les centres NV peuvent détecter des signaux magnétiques et électriques extrêmement faibles provenant de molécules, de matériaux et de systèmes biologiques. Pourtant, cette proximité les expose également à des bruits liés à la surface, tels que des défauts paramagnétiques fluctuants et des bruits de charge ou de champ électrique, qui dégradent rapidement leur cohérence quantique et limitent les performances des capteurs.
"Dans la littérature, les origines du bruit de surface ont souvent été appelées" spins X "ou" spins sombres ", car la nature microscopique précise du bruit n'a pas été comprise et il peut provenir de sites optiquement inactifs", a déclaré UChicago PME Ph.D. candidat Jonah Nagura, auteur principal de l’étude. "Notre recherche aide à identifier exactement ce qui est bruyant à la surface et ouvre la voie à l'élimination du bruit afin de pouvoir créer des capteurs quantiques plus avancés et plus puissants."
Dans ce travail, les chercheurs ont combiné des modèles atomistiques de surfaces de diamant basés sur la théorie fonctionnelle de la densité-avec des simulations avancées de décohérence quantique pour identifier et isoler les mécanismes dominants du bruit de surface.
"Pendant le processus de fabrication de surfaces en diamant pour les applications de détection, des défauts de surface indésirables peuvent être créés, notamment ce que nous appelons des liaisons pendantes", a déclaré Nagura. "Certains de ces défauts peuvent héberger des électrons non appariés, des spins paramagnétiques qui fluctuent dans le temps et génèrent un bruit magnétique qui perturbe le centre NV. Ce bruit peut réduire la cohérence du NV et obscurcir les faibles signaux cibles que l'on souhaite mesurer."
L'étude montre que la manière dont la surface est chimiquement terminée a un impact profond sur la cohérence NV. Les calculs de Nagura ont montré que les surfaces terminées par de l'oxygène- et de l'azote-préservent en grande partie une cohérence globale proche de-même pour les centres NV situés à seulement quelques nanomètres sous la surface. En revanche, les surfaces terminées par de l'hydrogène- et du fluor-introduisent un bruit magnétique lié à la surface-beaucoup plus fort, ce qui réduit considérablement les temps de cohérence.
"Cependant, même si la chimie des terminaisons et l'orientation des facettes sont importantes, nous avons constaté que ce sont la relaxation et les sauts électroniques de surface qui dominent la cohérence des NV peu profonds", a déclaré Nagura.
"Les spins électroniques présents à la surface interagissent avec les mêmes impulsions laser que celles utilisées pour manipuler et lire le centre NV. La lumière laser peut entraîner des changements dans l'état de charge de surface, provoquant le saut d'électrons non appariés entre différents sites atomiques. Ce mouvement produit des champs magnétiques supplémentaires variables dans le temps qui génèrent à leur tour un bruit supplémentaire. "
En identifiant les canaux de bruit microscopiques dominants, l'étude fournit une feuille de route pour l'amélioration des dispositifs quantiques basés sur NV-, avec des implications directes pour la détection quantique et le traitement de l'information.
"Une fois que nous avons pris en compte le mouvement des électrons à la surface, la théorie et l'expérience s'alignent enfin", a déclaré Nagura.
