Kvantni defekti imaju potencijal da deluju kao ultra-osetljivi senzori koji bi mogli da ponude nove vrste navigacije ili tehnologije bioloških senzora.
Jedna vrsta ovih defektnih sistema, centri za prazninu azota (NV) u dijamantima, mogu meriti magnetna polja nanorazmera. Ali dok naučnici mogu da kontrolišu kvantni spin ovih centara – pojedinačni defekti u dijamantu, gde je azot zamenio ugljenik – oni još uvek nemaju potpuno razumevanje kako da najbolje izoluju taj spin od spinova drugih defekata u materijalu, koji može uništiti njegovu memoriju kvantnog stanja, ili koherentnost.
Samo proučavanjem tačno kako ovaj materijal funkcioniše na atomskom nivou mogu naučnici i inženjeri da shvate potencijal ovih senzora. U novom istraživanju na Univerzitetu u Čikagu Pritzker School of Molecular Engineering (PME), istraživači u laboratoriji prof. Davida Avschaloma su osmislili novi način da iskoriste spin defekta za merenje ponašanja drugih pojedinačnih elektronskih defekata u dijamantu.
Ovo novo razumevanje, objavljeno u Phisical Reviev Letters, biće korišćeno za stvaranje još boljih kvantnih senzora koji mogu da održe dugo vremena koherentnosti.
„Osmislili smo način da vidimo određeno ponašanje pojedinačnih kvantnih spin stanja koja su se inače pokazala neuhvatljivim za standardna merenja“, rekao je Avšalom. „Ovo će uticati i na to kako konstruišemo kvantne sisteme i kako razmišljamo o naelektrisanju u mnogim materijalima.“
Predvođeni PME Ph.D. diplomirani i aktuelni postdoktorski istraživač Džonatan Marks, istraživački tim sintetizuje ove NV centre u objektima u Nacionalnoj laboratoriji Argonne. Oni rastu dijamant sloj po sloj kroz hemijsko taloženje pare i mogu da uvedu samo nekoliko nanometara azotnih dodataka da bi stvorili pojedinačne NV centre.
Ovi pojedinačni defekti spina su veoma koherentni, ali njihov spin je i dalje osetljiv na ponašanje drugih defektnih spinova u materijalu. To je zato što bez obzira na to koliko pažljivo se uzgaja dijamant, on uvek završi sa nenamernim azotnim defektima koji imaju svoj obrt. To uzrokuje dekoherenciju u sistemu, što utiče na njegovu korisnost kao senzora.
„Čak i ako imamo dobru kontrolu nad tim gde stavljamo azot, uvek završimo sa ovom pozadinskom bukom“, rekao je Marks. „Pošto želimo da razvijemo visoko koherentne centre za slobodna mesta za azot, želeli smo da bolje razumemo kako se ovi okolni defekti ponašaju i spajaju jedni s drugima.“
Da bi bolje razumeli ove pojedinačne elektronske defekte azota, tim je koristio laser i mikroskopski sistem napravljen kod kuće za merenje NV centra. Broj fotona koje NV centar emituje zavisi od spinskog stanja NV centra. Pošto ovi centri stupaju u interakciju sa drugim spinovima, tim je shvatio da bi mogao da koristi NV centar kao senzor nanorazmera obližnjeg naelektrisanja azotnih elektrona, koji je inače nevidljiv.
Proces im je dao prvo posmatranje spregnute dinamike spina i naelektrisanja unutar ovog materijala – sve do pojedinačnih defekata.
„Očekivali smo da će defekti azota imati samo jedno stanje napunjenosti, ali oni se zapravo okreću napred-nazad i nisu uvek u istom stanju napunjenosti“, rekao je Marks. „To je drugačije od onoga što smo pretpostavili iz fizike čvrstog stanja.“
Tim je udružio snage sa prof. Aashishom Clerkom i prof. Giulia Galli, čiji su timovi obezbedili teorijske i računarske alate koji su omogućili istraživačima da bolje razumeju svoja zapažanja.
Na kraju, tim će koristiti ovo znanje ne samo da bolje razume kako se ovi materijalni sistemi ponašaju, već i da izgradi bolje kvantne senzore.
„Kombinovanjem eksperimenta, teorije i računarstva, imamo ideje o tome kako da stvorimo izuzetno čiste materijale za nove kvantne tehnologije i kontrolišemo neke od ovih unutrašnjih izvora buke“, rekao je Gali.
