(a) Изображение пятиугольного FBAR и MW-антенны, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (b) Уровни энергии основного состояния центра N-V с ненулевым полем вдоль оси N-V, 𝐵||, вместе с соответствующими управляющими полями, используемыми в этой работе. (c) Конечно-элементная (COMSOL) модель поперечного сечения, показывающая около одного полного колебания деформации, генерируемой в алмазе для режима 2,553 ГГц, используемого в этой работе. Кредит: Physical Review Applied (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.024016
Когда дело доходит до материалов для квантовых датчиков, алмаз — лучшая игра в городе, говорит профессор Корнелльского университета Грегори Фукс. Теперь он и группа ученых подняли игру алмаза, создав изысканные изображения алмаза, подвергающегося микроскопическим колебаниям.
Команда, в которую вошли исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Корнеллского университета и Университета Пердью, достигла двукратного прогресса в области квантовой информатики.
Во-первых, воздействуя на алмаз звуковыми волнами, они сделали рентгеновские снимки вибраций алмаза и измерили, насколько атомы сжимались или расширялись в зависимости от частоты волны.
Во-вторых, они связали эту атомную деформацию с другим атомным свойством, спином — особой характеристикой всей атомной материи — и определили математическую связь между ними.
Результаты являются ключевыми для квантового зондирования, которое использует особые свойства атомов для проведения измерений, которые значительно точнее, чем те, на которые мы способны сегодня. Ожидается, что квантовые датчики найдут широкое применение в медицине, навигации и космологии в ближайшие десятилетия.
Встряхивание и вращение
Ученые используют спин для кодирования квантовой информации. Определив, как спин реагирует на деформацию в алмазе, команда разработала руководство по его использованию: дайте алмазу микротряску таким образом, и спин сместится на столько-то. Встряхните алмаз таким образом, и спин сместится на столько-то.
Исследование, опубликованное в Physical Review Applied, является первым случаем, когда кто-либо напрямую измерил корреляцию в алмазе на гигагерцовых частотах (миллиарды импульсов в секунду).
Это также часть более масштабных усилий в квантовом научном сообществе по точному связыванию атомной деформации и связанного с ней спина в широком диапазоне материалов. Например, исследователи из Аргонна и Чикагского университета ранее измеряли корреляции спин-деформации в карбиде кремния, еще одном звездном материале, который исследователи разрабатывают для квантовых приложений.
Исследования группы частично поддерживаются Q-NEXT, Национальным исследовательским центром квантовой информации DOE, возглавляемым Аргонном.
«Мы соединяем две стороны уравнения — спиновую и деформационную — и напрямую сравниваем то, что происходит в алмазе», — сказал Фукс, профессор Школы прикладной и инженерной физики Корнелла и соавтор Q-NEXT. «Было очень приятно напрямую вбивать их обе».
Решение уравнения спин-деформация
Две стороны уравнения вбивали в сотни миль друг от друга.
Для измерений спина ученые из Корнеллского университета в Нью-Йорке измерили, как спин реагировал на звуковые волны, пульсирующие через алмаз, с помощью уникального устройства, разработанного исследователями из Корнелла и Пердью.
Для измерения деформации аспирант Корнелла и автор статьи Энтони Д'Аддарио проехал 700 миль до Аргонна в Иллинойсе, чтобы воспользоваться Advanced Photon Source (APS), пользовательским оборудованием Управления науки Министерства энергетики. Машина с окружностью в 1 км генерирует рентгеновские лучи, которые позволяют исследователям увидеть, как материал ведет себя на атомном и молекулярном уровне.
Сгенерировав изображения деформации в других материалах для квантовых технологий, теперь он сделает то же самое для алмаза. Команда использовала рентгеновский луч, совместно управляемый APS и Центром наноматериалов Аргонна, также являющимся пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики, чтобы сделать похожие на стробоскопические снимки атомов алмаза, когда они тряслись взад и вперед.
Они сосредоточились на определенном участке внутри алмаза: неровности, называемой центром азотной вакансии (NV), который состоит из отверстия размером с атом и соседнего атома азота. Ученые используют NV-центры в качестве основы для квантовых датчиков.
Результаты механических измерений Раби. Источник: Physical Review Applied (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.024016
Высокоразрешенные изображения APS позволили команде измерить движение атомов вблизи NV-центров алмаза с точностью до одной части из 1000.
«Возможность использовать APS для однозначного изучения или количественной оценки деформации вблизи центра NV, поскольку она модулируется этими прекрасными акустическими резонаторами, разработанными в Пердью и Корнелле, позволяет нам получить информацию локально вблизи центров NV», — сказал ученый из Аргонна и соавтор Q-NEXT Мартин Холт, который также является автором статьи.
«В этом всегда заключалась прелесть жесткого рентгеновского излучения: возможность полностью просматривать сложные системы и получать количественные ответы о том, что находится внутри».
Имея на руках измерения спина и деформации, Фукс и его команда связали их в уравнении, которое, к счастью, согласуется с теорией.
«Самым захватывающим было проведение анализа. В итоге мы нашли новое число, связывающее спин и деформацию, и оно в итоге согласовалось с некоторой теорией и предыдущими измерениями», — сказал Д'Аддарио.
Акустическая инженерия
Спином можно управлять несколькими способами. Самый популярный — использовать электромагнитные волны. Использование акустических волн встречается реже.
Но у этого есть преимущества. Во-первых, акустические волны можно использовать для управления спином способами, которые невозможно достичь с помощью электромагнитных полей.
С другой стороны, акустические волны могут защищать квантовую информацию, закодированную в спине. Квантовая информация хрупка и распадается, когда ее нарушает окружающая среда, этот процесс называется декогеренцией. Одна из целей квантовых исследований — предотвратить декогеренцию достаточно долго, чтобы информация могла быть успешно обработана.
«Немного нелогично, что добавление звука в систему делает ее лучше, но это немного похоже на включение генератора белого шума, чтобы не слышать разговор», — сказал Холт. «Вы можете использовать акустические волны, чтобы защитить квантовый бит от декогеренции. Вы меняете то, к чему чувствительна система, таким образом, чтобы защитить ее от этих других звуковых процессов».
Есть также преимущество миниатюризации. В то время как электромагнитная волна частотой 1 гигагерц имеет длину примерно фут, акустическая волна гигагерца крошечная, примерно с ширину человеческого волоса. Эта небольшая длина волны позволяет ученым размещать несколько похожих устройств в небольшой установке и при этом гарантировать, что их сигналы не будут пересекаться друг с другом.
«Если вы не хотите, чтобы между соседними странами было много дискуссий или помех, устройства, то вы можете использовать устройства на акустических волнах, которые могут быть очень ограниченными», — сказал Фукс.
Сочетание этих преимуществ с алмазом позволяет создать превосходный квантовый датчик. Будучи носителем квантовой информации, алмаз обеспечивает длительное время жизни информации, может работать при комнатной температуре и обеспечивает надежные измерения.
«Я бы сказал, что большинство людей согласятся со мной, что для квантовых датчиков алмаз — король», — сказал Фукс.
Ключевым моментом в работе стало междисциплинарное сотрудничество.
«Из-за сложности и чувствительности этих систем существует множество различных факторов, которые могут перемещать квантовые явления», — сказал Холт.
«Чтобы тщательно определить базовую реакцию на отдельные части, требуется корреляция. Это междисциплинарный вопрос, и Q-NEXT очень хорошо подходит для ответа на него. Инвестиции Q-NEXT в создание рабочих сред для квантовых систем на этих объектах действительно окупаются».
Дополнительная информация: Энтони Д'Аддарио и др., Стробоскопическая рентгеновская дифракционная микроскопия динамической деформации в алмазных тонкопленочных объемных акустических резонаторах для квантового управления центрами азотных вакансий, Physical Review Applied (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.024016
Информация о журнале: Physical Review Applied
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией
