การศึกษาเผยต้นกำเนิดด้วยกล้องจุลทรรศน์ของสัญญาณรบกวนที่พื้นผิวซึ่งจำกัดเซ็นเซอร์ควอนตัมเพชร

การศึกษาเชิงทฤษฎีใหม่ที่นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยชิคาโกและห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ได้ระบุกลไกระดับจุลภาคโดยที่พื้นผิวเพชรส่งผลต่อการเชื่อมโยงกันของควอนตัมของจุดบกพร่อง-ศูนย์ว่าง (NV) ของไนโตรเจน-ในเพชรที่เป็นรากฐานของเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ละเอียดอ่อนที่สุดในปัจจุบัน มีการศึกษาปรากฏอยู่ในเอกสารทบทวนทางกายภาพและได้รับเลือกให้เป็นบทความเสนอแนะของบรรณาธิการ

Giulia Galli ศาสตราจารย์จาก University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) และนักวิทยาศาสตร์อาวุโสจาก Argonne National Laboratory กล่าวว่า "ความท้าทายที่มีมายาวนาน-คือการทำความเข้าใจว่าเหตุใดศูนย์ NV แบบตื้นจึงสูญเสียการเชื่อมโยงกันอย่างรวดเร็ว "โดยการรวมแบบจำลองพื้นผิวหลักการแรก-เข้ากับการจำลองไดนามิกของควอนตัม เราเข้าใจว่าต้นเหตุของการแยกส่วนนั้นไม่ใช่แค่การหมุนแบบใดที่อยู่บนพื้นผิวเพชรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีที่พวกมันเคลื่อนที่ด้วย เสียงที่พื้นผิวนั้นเป็นแบบไดนามิก"

ข้อค้นพบของการศึกษานี้ให้แนวทางที่ชัดเจนตามหลักฟิสิกส์-สำหรับพื้นผิวเพชรทางวิศวกรรมที่ช่วยรักษาความเชื่อมโยงกันของควอนตัม ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับการตรวจจับควอนตัมและเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่

ศูนย์ NV เป็นข้อบกพร่องระดับอะตอม-ในเพชรซึ่งสามารถเริ่มต้น ควบคุม และอ่านค่าสถานะการหมุนควอนตัมได้ที่อุณหภูมิห้อง เมื่อวางไว้ใกล้กับพื้นผิวเพชร ศูนย์ NV สามารถตรวจจับสัญญาณแม่เหล็กและไฟฟ้าที่อ่อนมากจากโมเลกุล วัสดุ และระบบชีวภาพ แต่ความใกล้ชิดนี้ยังทำให้พวกเขาสัมผัสกับ-สัญญาณรบกวนที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว เช่น ข้อบกพร่องและประจุพาราแมกเนติกที่ผันผวนหรือ-สัญญาณรบกวนจากสนามไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้ความสอดคล้องกันของควอนตัมลดลงอย่างรวดเร็วและจำกัดประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์

"ในวรรณคดี ต้นกำเนิดของสัญญาณรบกวนบนพื้นผิวมักถูกเรียกว่า 'X spins' หรือ 'dark spins' เนื่องจากไม่เข้าใจธรรมชาติของเสียงด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่แม่นยำ และอาจเกิดจากสถานที่ที่ไม่มีการใช้งานทางแสง" UChicago PME Ph.D. กล่าว ผู้สมัคร Jonah Nagura ผู้เขียนหลักของการศึกษานี้ "การวิจัยของเราช่วยระบุสิ่งที่มีเสียงดังบนพื้นผิวได้อย่างแม่นยำ และกำหนดแนวทางในการกำจัดเสียงรบกวน เพื่อให้สามารถสร้างเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ล้ำหน้าและทรงพลังยิ่งขึ้นได้"

ในงานนี้ นักวิจัยได้รวมทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น-แบบจำลองอะตอมมิกของพื้นผิวเพชรเข้ากับการจำลองการแยกส่วนควอนตัมขั้นสูงเพื่อระบุและแยกกลไกสัญญาณรบกวนบนพื้นผิวที่โดดเด่น

“ในระหว่างกระบวนการผลิตพื้นผิวเพชรสำหรับการตรวจจับ อาจเกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวที่ไม่พึงประสงค์ได้ ซึ่งรวมถึงสิ่งที่เราเรียกว่าพันธะห้อยต่องแต่ง” Nagura กล่าว "ข้อบกพร่องเหล่านี้บางส่วนสามารถโฮสต์อิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ การหมุนพาราแมกเนติกที่ผันผวนเมื่อเวลาผ่านไป และสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กที่รบกวนศูนย์กลาง NV เสียงนั้นสามารถลดการเชื่อมโยงกันของ NV และสามารถปิดบังสัญญาณเป้าหมายที่อ่อนแอที่ต้องการวัดได้"

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าวิธีที่พื้นผิวถูกทำลายด้วยสารเคมี มีผลกระทบอย่างมากต่อการเชื่อมโยงกันของ NV การคำนวณของ Nagura แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวที่สิ้นสุดด้วยออกซิเจน-และไนโตรเจน-ส่วนใหญ่จะรักษาความสอดคล้องกันเป็นกลุ่มก้อนใกล้เคียง- แม้ว่าศูนย์กลางของ NV จะอยู่ใต้พื้นผิวเพียงไม่กี่นาโนเมตรก็ตาม ในทางตรงกันข้าม พื้นผิวที่สิ้นสุดของไฮโดรเจน-และฟลูออรีน-ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนจากแม่เหล็กที่พื้นผิว-แรงกว่ามาก ซึ่งทำให้ระยะเวลาในการเชื่อมโยงกันสั้นลงอย่างมาก

"อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเคมีของการสิ้นสุดและการวางแนวด้านจะมีความสำคัญ แต่เราพบว่า-การคลายตัวและการกระโดดของอิเล็กตรอนที่พื้นผิวนั้นมีอิทธิพลเหนือการเชื่อมโยงกันของ NV แบบตื้น" Nagura กล่าว

"การหมุนของอิเล็กตรอนที่พื้นผิวมีปฏิสัมพันธ์กับพัลส์เลเซอร์แบบเดียวกับที่ใช้ควบคุมและอ่านศูนย์ NV แสงเลเซอร์สามารถขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงในสถานะประจุที่พื้นผิว ทำให้อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่กระโดดไปมาระหว่างตำแหน่งของอะตอมที่แตกต่างกัน การเคลื่อนไหวนั้นทำให้เกิดเวลาเพิ่มเติม-สนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันซึ่งในทางกลับกันจะทำให้เกิดเสียงรบกวนเพิ่มเติม"

ด้วยการระบุช่องสัญญาณรบกวนระดับจุลภาคที่โดดเด่น การศึกษานี้เป็นแผนงานสำหรับการปรับปรุงอุปกรณ์ควอนตัมที่ใช้ NV- โดยมีผลกระทบโดยตรงต่อการตรวจจับควอนตัมและการประมวลผลข้อมูล

“เมื่อเราคำนึงถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่พื้นผิวแล้ว ทฤษฎีและการทดลองก็สอดคล้องกันในที่สุด” Nagura กล่าว