Физики научились управлять квантовым состоянием дефектов в алмазе с помощью звука ( 2 фото )

(слева) схема расщепления энергетических уровней основного состояния NV-центров во внешнем магнитном поле. Оранжевая и зеленые стрелки обозначают переходы между уровнями энергии под действием квантов звуковых колебаний, синие стрелки – переходы под действием квантов электромагнитного излучения; (справа) схема NV-центра в кристаллической решетке алмаза, черные сферы – атомы углерода, N – атом азота, V – вакансия

Американские ученые построили микроэлектромеханическое устройство на основе кристалла алмаза с азотно-замещенными вакансиями и продемонстрировали возможность управления электронными спинами этих дефектов с помощью акустического спинового резонанса.

Полученные результаты помогут в создании компактных высокочувствительных сенсоров с нанометровым пространственным разрешением и низким энергопотреблением. Статья опубликована в журнале Physical Review Applied.

Кристаллы алмаза используются физиками как материал для создания устройств квантовой обработки информации и чувствительных магнитных, электрических и температурных сенсоров с высокой разрешающей способностью. Для этих целей обычно применяют кристаллы с дефектами решетки — азотно-замещенными вакансиями, которые сокращенно называют NV-центрами. Они образуются в результате удаления атома углерода из узла решетки и связывания образовавшейся вакансии с атомом азота, замещающим позицию одного из соседних углеродов.

Для практических задач, связанных с управлением спинами NV-дефектов, состояние которых можно рассматривать как логические состояния кубитов, обычно используют отрицательно заряженные NV-центры, электронный спин S которых равен единице (за счет наличия двух неспаренных электронов в таком дефекте). Согласно квантовой механике, момент импульса и ассоциированный с ним магнитный момент дефекта квантуются и состояние NV-центров с наименьшей энергией (основное состояние) состоит из трех спиновых подуровней, соответствующих проекциям спина на некоторую выделенную ось Z, которые определяются значениями магнитного спинового квантового числа ms = −1, 0, +1.

При включении внешнего магнитного поля вдоль оси, проходящей через атом азота и вакансию углерода, происходит расщепление спиновых энергетических уровней основного состояния NV-центра, линейно зависящее от величины магнитного поля. Если при этом приложить в перпендикулярном направлении осциллирующее слабое магнитное поле в виде микроволнового излучения определенной частоты, совпадающей с расстоянием между расщепленными энергетическими уровнями, то произойдет поглощение кванта электромагнитного поля и переход системы в состояние с более высокой энергией с изменением числа ms на единицу. Это явление, называемое электронным парамагнитным (или спиновым) резонансом,  — один из способов манипуляции электронными спинами NV-центров.

Американские ученые под руководством Грега Фукса (Greg Fuchs) из Корнельского университета продемонстрировали, что для тех же целей можно применять звуковые волны. Они построили микроэлектромеханическое устройство на основе алмаза, содержащего NV-центры, представляющее собой объемный акустический резонатор толщиной 20 микрометров.

С помощью пьезоэлектрического преобразователя, состоящего из тонкого слоя оксида цинка между двух электродов, закрепленных с плоской стороны резонатора (противоположная сторона имела сферическую форму), внутри объема генерировались стоячие акустические волны частотой от 2 до 3 гигагерц. Кольцевая магнитная антенна, диаметром 50 микрометров, расположенная вокруг акустического резонатора позволяла манипулировать электронными переходами NV-центров и с помощью традиционной техники электронного спинового резонанса.

Изменения состояния NV-центров, связанные со спиновыми переходами, регистрировались наблюдением за их фотолюминесценцией, возбуждаемой лазером с длиной волны 532 нанометра с помощью конфокального микроскопа.


(слева) вид устройства в разрезе, конфокальный микроскоп фокусирует излучение лазера в глубине кристалла, (справа) схематично показано распределение NV-центров внутри кристалла в узлах и пучностях стоячей звуковой волны распространяющиеся по кристаллической решетке акустические колебания ведут себя как квазичастицы-фононы, и если подобрать их частоту так, чтобы энергия фонона совпадала с расстоянием между расщепленными подуровнями основного состояния NV-центра, то благодаря существованию спин-фононного взаимодействия происходит резонансное поглощение фонона, схожее с поглощением электромагнитного излучения при электронном парамагнитном резонансе, описанном выше. Причем при таком акустическом спиновом резонансе возможны переходы между электронными уровнями с проекциями ms = −1 и +1, которые запрещены квантово-механическими правилами отбора в случае электронного парамагнитного резонанса.

Главной проблемой, с которой столкнулись исследователи, стало паразитное высокочастотное электромагнитное поле, генерируемое вокруг электродов пьезоэлектрического преобразователя. Однако ученые смогли выделить вклад акустического воздействия и оценить коэффициент восприимчивости переходов между электронными состояниями NV-центров к звуковым волнам. Величина этого коэффициента оказалась почти на порядок выше предсказываемого теоретического значения.

По словам руководителя исследования это означает, что возможно создать устройство, в котором квантовым состоянием NV-центров можно управлять только с помощью акустических волн без применения микроволновых излучателей. Звуковые волны можно концентрировать в заданном объеме и таким образом контролировать спины в конкретных областях устройства, что гораздо труднее в случае с электромагнитными волнами, так как они представляют собой более «протяженный объект». Всё это позволит создать компактные устройства, например магнитометры для использования в навигации, с нанометровой пространственной разрешающей способностью и пониженным энергопотреблением.

Сейчас исследователи работают над патентованием разработанной технологии. Ранее мы рассказывали об ученых из Гарвардского университета, которые на основе алмаза с NV-дефектами создали самый маленький в мире радиоприемник.

Андрей Фокин

Материал взят: Тут