Sebuah studi teoretis baru yang dipimpin oleh para peneliti di Universitas Chicago dan Laboratorium Nasional Argonne telah mengidentifikasi mekanisme mikroskopis yang menyebabkan permukaan berlian memengaruhi koherensi kuantum-pusat kekosongan (NV) nitrogen-kecacatan pada berlian yang mendasari beberapa sensor kuantum paling sensitif saat ini. Studi ini telah muncul diBahan Tinjauan Fisikdan terpilih menjadi makalah Saran Editor.
"Salah-tantangan yang sudah lama ada adalah memahami mengapa pusat NV yang dangkal kehilangan koherensinya begitu cepat," kata Giulia Galli, profesor di Fakultas Teknik Molekuler Universitas Chicago Pritzker (UCchicago PME) dan ilmuwan senior di Laboratorium Nasional Argonne. "Dengan menggabungkan-model permukaan prinsip pertama dengan simulasi dinamika kuantum, kami memahami bahwa penyebab dekoherensi bukan hanya putaran mana yang hidup di permukaan berlian, namun juga bagaimana putaran tersebut bergerak: kebisingan permukaan bersifat dinamis."
Temuan penelitian ini memberikan pedoman yang jelas dan berbasis fisika-untuk merekayasa permukaan berlian yang membantu menjaga koherensi kuantum, yang merupakan persyaratan utama penginderaan kuantum dan teknologi informasi kuantum yang sedang berkembang.
Pusat NV adalah cacat skala-atom pada berlian yang status putaran kuantumnya dapat diinisialisasi, dikontrol, dan dibaca secara optik pada suhu kamar. Ketika ditempatkan dekat dengan permukaan berlian, pusat NV dapat mendeteksi sinyal magnetik dan listrik yang sangat lemah dari molekul, material, dan sistem biologis. Namun kedekatan ini juga membuat mereka terkena kebisingan-permukaan, seperti cacat paramagnetik yang berfluktuasi dan kebisingan medan-listrik, yang dengan cepat menurunkan koherensi kuantum dan membatasi kinerja sensor.
“Dalam literatur, asal muasal kebisingan permukaan sering disebut 'putaran X' atau 'putaran gelap', karena sifat mikroskopis kebisingan tersebut tidak dipahami, dan mungkin berasal dari situs yang tidak aktif secara optik,” kata UChicago PME Ph.D. kandidat Jonah Nagura, penulis utama studi ini. “Penelitian kami membantu menentukan dengan tepat apa yang menimbulkan kebisingan di permukaan dan menetapkan jalur untuk menghilangkan kebisingan sehingga kita dapat menciptakan sensor kuantum yang lebih canggih dan kuat.”
Dalam karya ini, para peneliti menggabungkan teori fungsional kepadatan-model atomistik permukaan berlian dengan simulasi dekoherensi kuantum tingkat lanjut untuk mengidentifikasi dan mengisolasi mekanisme kebisingan permukaan yang dominan.
“Selama proses fabrikasi permukaan berlian untuk aplikasi penginderaan, cacat permukaan yang tidak diinginkan dapat terjadi, termasuk apa yang kami sebut ikatan menjuntai,” kata Nagura. “Beberapa dari cacat ini dapat menampung elektron yang tidak berpasangan, putaran paramagnetik yang berfluktuasi seiring waktu dan menghasilkan gangguan magnetis yang mengganggu pusat NV. Kebisingan tersebut dapat mengurangi koherensi NV dan dapat mengaburkan sinyal target lemah yang ingin diukur.”
Studi ini menunjukkan bahwa cara permukaan terminasi secara kimia mempunyai dampak besar terhadap koherensi NV. Perhitungan Nagura menunjukkan bahwa permukaan yang tidak mengandung oksigen- dan nitrogen-sebagian besar mempertahankan koherensi mendekati-massal bahkan untuk pusat NV yang hanya beberapa nanometer di bawah permukaan. Sebaliknya, permukaan yang diakhiri dengan hidrogen- dan fluor-menghasilkan kebisingan magnetik terkait permukaan-yang jauh lebih kuat, yang secara drastis mempersingkat waktu koherensi.
"Namun, meskipun kimia terminasi dan orientasi faset penting, kami menemukan bahwa-relaksasi dan lompatan elektron permukaanlah yang mendominasi koherensi NV dangkal," kata Nagura.
"Putaran elektron yang ada di permukaan berinteraksi dengan pulsa laser yang sama yang digunakan untuk memanipulasi dan membaca pusat NV. Sinar laser dapat mendorong perubahan keadaan muatan permukaan, menyebabkan elektron yang tidak berpasangan berpindah antar lokasi atom yang berbeda. Gerakan tersebut menghasilkan waktu tambahan-medan magnet yang bervariasi yang pada gilirannya menghasilkan kebisingan ekstra."
Dengan mengidentifikasi saluran kebisingan mikroskopis yang dominan, penelitian ini memberikan peta jalan untuk meningkatkan perangkat kuantum-berbasis NV, dengan implikasi langsung pada penginderaan kuantum dan pemrosesan informasi.
“Setelah kita memperhitungkan pergerakan elektron di permukaan, teori dan eksperimen akhirnya sejalan,” kata Nagura.
