시카고 대학과 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 연구원들이 주도한 새로운 이론 연구에서는 다이아몬드 표면이 오늘날 가장 민감한 양자 센서 중 일부를 뒷받침하는 다이아몬드의 질소-공극(NV) 중심-결함의 양자 일관성에 영향을 미치는 미세한 메커니즘을 확인했습니다. 이 연구는실제 검토 자료Editors' Suggestion 논문으로 선정되었습니다.
"오랜{0}}오랜 과제 중 하나는 얕은 NV 센터가 왜 그렇게 빨리 일관성을 잃는지 이해하는 것이었습니다."라고 시카고 대학 프리츠커 분자 공학 대학(UChicago PME)의 교수이자 아르곤 국립 연구소의 선임 과학자인 Giulia Galli가 말했습니다. "제1-원리 표면 모델과 양자 역학 시뮬레이션을 결합함으로써 우리는 결어긋남의 원인이 다이아몬드 표면에 어떤 스핀이 존재하는지 뿐만 아니라 스핀이 어떻게 움직이는지도 이해했습니다. 표면 노이즈는 동적입니다."
연구 결과는 양자 감지 및 새로운 양자 정보 기술의 핵심 요구 사항인 양자 일관성을 보존하는 데 도움이 되는 엔지니어링 다이아몬드 표면에 대한 명확한 물리학{0} 기반 지침을 제공합니다.
NV 센터는 양자 스핀 상태가 실온에서 초기화, 제어 및 광학적으로 판독될 수 있는 다이아몬드의 원자{0}}규모 결함입니다. 다이아몬드 표면 가까이에 배치하면 NV 센터는 분자, 재료 및 생물학적 시스템에서 매우 약한 자기 및 전기 신호를 감지할 수 있습니다. 그러나 이러한 근접성으로 인해 변동하는 상자성 결함 및 전하 또는 전기장 노이즈와 같은 표면-관련 노이즈에 노출되어 양자 일관성이 급격히 저하되고 센서 성능이 제한됩니다.
"문헌에서 표면 노이즈의 기원은 종종 'X 스핀' 또는 '다크 스핀'이라고 불립니다. 왜냐하면 노이즈의 정확한 미세한 특성이 이해되지 않았으며 광학적으로 비활성인 위치에서 유래할 수 있기 때문입니다."라고 UChicago PME Ph.D는 말했습니다. 연구의 주요 저자인 조나 나구라(Jonah Nagura) 후보. "우리의 연구는 표면에 시끄러운 것이 무엇인지 정확히 찾아내고 잡음을 제거하는 경로를 설정하여 더욱 발전되고 강력한 양자 센서를 만들 수 있도록 도와줍니다."
이 연구에서 연구원들은 밀도 범함수 이론-기반 다이아몬드 표면의 원자 모델과 고급 양자 결맞음 시뮬레이션을 결합하여 지배적인 표면 잡음 메커니즘을 식별하고 분리했습니다.
Nagura는 "감지 응용을 위한 다이아몬드 표면의 제조 과정에서 우리가 댕글링 본드(dangling bond)라고 부르는 것을 포함하여 원하지 않는 표면 결함이 생성될 수 있다"고 말했습니다. "이러한 결함 중 일부는 짝을 이루지 않은 전자, 시간이 지남에 따라 변동하고 NV 중심을 교란시키는 자기 노이즈를 생성하는 상자성 스핀을 수용할 수 있습니다. 이러한 노이즈는 NV의 일관성을 감소시키고 측정하려는 약한 대상 신호를 모호하게 할 수 있습니다."
이 연구는 표면이 화학적으로 종료되는 방식이 NV 일관성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. Nagura의 계산에 따르면 산소- 및 질소- 종료 표면은 표면 아래 불과 몇 나노미터에 불과한 NV 센터의 경우에도 거의 -대량 일관성을 유지하는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 수소- 및 불소- 종결 표면은 훨씬 더 강한 표면- 관련 자기 노이즈를 발생시켜 일관성 시간을 대폭 단축시킵니다.
Nagura는 "그러나 종결 화학과 패싯 방향이 중요하지만 얕은 NV의 일관성을 지배하는 것은 표면 전자 이완과 호핑이라는 것을 발견했습니다"라고 Nagura는 말했습니다.
"표면에 존재하는 전자 스핀은 NV 중심을 조작하고 판독하는 데 사용되는 동일한 레이저 펄스와 상호 작용합니다. 레이저 광은 표면 전하 상태의 변화를 유도하여 짝을 이루지 않은 전자가 서로 다른 원자 위치 사이를 이동하게 합니다. 이러한 움직임은 추가 시간 변화 자기장을 생성하여 추가 노이즈를 생성합니다."
지배적인 미세 잡음 채널을 식별함으로써 이 연구는 양자 감지 및 정보 처리에 직접적인 영향을 미치는 NV- 기반 양자 장치 개선을 위한 로드맵을 제공합니다.
Nagura는 “표면에서의 전자 운동을 설명하면 이론과 실험이 마침내 정렬됩니다.”라고 말했습니다.
