Квантовые дефекты потенциально могут выступать в качестве сверхчувствительных датчиков, которые могли бы предложить новые виды навигационных или биологических сенсорных технологий. Однако учёным всё ещё не хватает полного понимания того, как лучше всего изолировать квантовый спин этих дефектов от спинов других дефектов в материале, которые могут разрушить его квантовую память состояния или когерентность.

Исследователи из лаборатории профессора Дэвида Авшалома (David Awschalom) разработали новый способ использования спина дефекта для измерения поведения других дефектов с одним электроном в алмазе. Этот новый подход будет использован для создания более совершенных квантовых датчиков, которые смогут поддерживать длительное время когерентности.

«Мы разработали способ увидеть определённое поведение отдельных квантовых спиновых состояний, которые в противном случае оказались неуловимыми для стандартных измерений. Это повлияет как на то, как мы проектируем квантовые системы, так и на то, как мы думаем о заряде во многих материалах», — сказал Авшалом.

Исследовательская группа выращивает алмазы слой за слоем с помощью химического осаждения из паровой фазы и может вводить всего несколько нанометров азотных легирующих добавок для создания отдельных NV-центров.

Эти одиночные спиновые дефекты высококогерентны, но их спин всё ещё чувствителен к поведению других дефектных спинов в материале. Это происходит из-за того, что независимо от того, насколько тщательно выращивается алмаз, он всегда сопровождается азотными дефектами, имеющими свой собственный спин. Это вызывает декогеренцию в системе, влияя на её полезность в качестве датчика.

Чтобы лучше понять эти одиночные электронные дефекты азота, команда использовала лазер и собственную систему для измерения NV-центра. Количество фотонов, испускаемых NV-центром, зависит от состояния спина NV-центра. Поскольку эти центры взаимодействуют с другими спинами, команда поняла, что они могут использовать NV-центр в качестве наномасштабного датчика заряда электрона близлежащего азота, который в противном случае невидим.

Этот процесс позволил им наблюдать связанную динамику спина и заряда в этом материале — вплоть до отдельных дефектов.

Группа объединила усилия с профессором Аашишем Клерком (Aashish Clerk) и профессором Джулией Галли (Giulia Galli), чьи команды предоставили теоретические и вычислительные инструменты, которые позволили исследователям лучше понять свои наблюдения.

Команда планирует использовать эти данные не только для лучшего понимания поведения систем, но и для создания более совершенных квантовых датчиков.

«Объединив эксперимент, теорию и вычисления, мы получили идеи о том, как создавать чрезвычайно чистые материалы для новых квантовых технологий и контролировать некоторые из этих источников шума», — сказала Галли.