Тщательно контролируя положение алмазного дефекта атомного масштаба в объеме меньшем, чем тот, который могли бы заполнить некоторые вирусы, исследователи проложили путь к более совершенным квантовым компьютерам и наноразмерным датчикам. Они описывают свою технику в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Дэвид Авшалом, физик из Института молекулярной инженерии Чикагского университета, и его коллеги изучают технологически полезный дефект алмаза, называемый центром азотных вакансий (NV). NV-центры состоят из атома азота, примыкающего к вакантному месту, которое замещает два атома углерода в кристалле алмаза, оставляя неспаренный электрон. Исследователи могут использовать свойство неспаренного электрона, известное как его спин, для хранения и передачи квантовой информации при комнатной температуре.
Кубиты и квантовые сенсоры
Центры NV являются привлекательными кандидатами на роль кубитов, квантового эквивалента классического вычислительного бита. Один и тот же NV-центр можно также использовать для совершенно других целей, таких как измерение температуры, а также для отображения электрических и магнитных полей в нанометровом масштабе, поместив его на кончик сканирующего зонда на основе алмаза.
Основное препятствие для дальнейшего использования NV-центров для практических квантовых вычислений и наноразмерных сенсорных устройств заключается в сложности размещения центров в пределах того, что Авшалом называет функциональными «сладкими точками» устройств. Другой проблемой является увеличение плотности центров NV без ущерба для времени жизни их спинов, которое должно оставаться долгим, чтобы извлекать наиболее полезную информацию из системы.
Авшалом и его коллеги разработали новый способ создания центров NV, которые могут помочь преодолеть обе эти проблемы.
Вот это место
Ключ к новому подходу команды состоит в том, чтобы создавать дефекты азота и вакансий отдельно, сказал Авшалом. Во-первых, команда вырастила слой кристалла, легированного азотом, внутри алмазной пленки. Исследователи сохранили слой азота чрезвычайно тонким, уменьшив скорость роста пленки примерно до 8 нанометров в час. Нанометровый слой, легированный азотом, ограничивает возможное расположение NV-центров в направлении глубины.
Во-вторых, исследователи создали маску, закрывающую пленку, оставив только дырочки от булавок. Они выпустили ионы углерода через отверстия, чтобы создать вакансии, и нагрели алмаз, чтобы сделать вакансии подвижными внутри кристалла. NV-центры могли образовываться в легированном азотом слое ниже места размещения дырок.
Используя этот подход, команда успешно локализовала NV-центры в полости диаметром примерно 180 нанометров - объем достаточно мал, чтобы быть совместимым со многими наноструктурами на основе алмаза, используемыми в сенсорных устройствах и экспериментальных квантовых информационных системах.
Локальные центры NV также могут удерживать определенное вращение дольше 300 микросекунд. Это так называемое время спиновой когерентности было на порядок лучше, чем время, достигнутое другими методами трехмерной локализации. Более длительное время жизни спина означает, что центры NV могут обнаруживать меньшие магнитные сигналы и дольше хранить квантовую информацию.
Одной из целей команды при использовании новой техники является измерение ядерных вращений атомов водорода - одного из мельчайших магнитных сигналов - внутри биологической молекулы. Исследование может открыть новое понимание того, как работают важные биологические функции, такие как фотосинтез. «Наши исследования затрагивают различные области науки и техники, - сказал Авшалом. «Технологические достижения всегда открывают новые возможности для научных исследований».