シカゴ大学とアルゴンヌ国立研究所の研究者らが主導した新しい理論研究により、今日最も感度の高い量子センサーの一部を支えるダイヤモンドの窒素-空孔（NV）中心-欠陥の量子コヒーレンスにダイヤモンドの表面が影響を与える微視的なメカニズムが特定されました。この研究は、物理的レビュー資料そして編集者の提案論文に選ばれました。
「長年の課題の 1 つは、なぜ浅い NV 中心がこれほど急速にコヒーレンスを失うのかを理解することです」とシカゴ大学プリツカー分子工学大学院 (UChicago PME) の教授であり、アルゴンヌ国立研究所の上級研究員であるジュリア ガリ氏は述べています。 「第一原理表面モデルと量子力学シミュレーションを組み合わせることで、デコヒーレンスの原因はダイヤモンド表面にどのスピンが存在するかだけではなく、それらがどのように移動するかであることがわかりました。表面ノイズは動的です。」
研究結果は、量子センシングや新興量子情報技術の重要な要件である量子コヒーレンスの維持に役立つ、ダイヤモンド表面の加工に関する物理学に基づいた明確なガイドラインを提供します。{0}
NV センターはダイヤモンドの原子スケールの欠陥であり、その量子スピン状態は室温で初期化、制御、光学的に読み出すことができます。- NV センターをダイヤモンド表面の近くに配置すると、分子、材料、生体系からの非常に弱い磁気信号と電気信号を検出できます。しかし、この近接性により、常磁性欠陥の変動や電荷や電場のノイズなどの表面関連ノイズにもさらされ、量子コヒーレンスが急速に低下し、センサーの性能が制限されます。-
「文献では、表面ノイズの起源はしばしば『Xスピン』または『ダークスピン』と呼ばれています。ノイズの正確な微視的性質は理解されておらず、光学的に不活性な部位に由来する可能性があるためです」とシカゴ大学PME博士は述べた。ジョナ・ナグラ候補者、研究の筆頭著者。 「私たちの研究は、地表でノイズの多いものを正確に特定し、ノイズを除去するための道筋を設定するのに役立ちます。これにより、より高度で強力な量子センサーを作成できるようになります。」
この研究で研究者らは、密度汎関数理論に基づくダイヤモンド表面の原子モデルと高度な量子デコヒーレンス シミュレーションを組み合わせて、支配的な表面ノイズ メカニズムを特定し、分離しました。{0}
「センシング用途のためのダイヤモンド表面の製造プロセス中に、いわゆるダングリングボンドなどの望ましくない表面欠陥が作成される可能性があります」とNagura氏は述べた。 「これらの欠陥の一部には、時間の経過とともに変動する不対電子や常磁性スピンが存在し、NV中心を乱す磁気ノイズが発生する可能性があります。そのノイズによりNVのコヒーレンスが低下し、測定したい弱いターゲット信号が見えにくくなる可能性があります。」
この研究は、表面が化学的に終端される方法が NV コヒーレンスに大きな影響を与えることを示しています。 Nagura 氏の計算では、酸素-と窒素-で終端された表面は、表面からわずか数ナノメートルのNV中心であってもほぼバルクコヒーレンスをほぼ維持していることが示されました。-対照的に、水素-およびフッ素-で終端された表面は、はるかに強力な表面関連の磁気ノイズを導入し、コヒーレンス時間を大幅に短縮します。-
「しかし、終端の化学的性質とファセットの向きは重要ですが、浅い NV のコヒーレンスを支配するのは表面の電子緩和とホッピングであることがわかりました」と Nagura 氏は述べています。{0}
「表面に存在する電子スピンは、NV 中心を操作して読み出すために使用される同じレーザー パルスと相互作用します。レーザー光は表面の電荷状態の変化を引き起こす可能性があり、不対電子が異なる原子サイト間を飛び回る原因となります。その動きが追加の時間変動する磁場を生成し、その結果、余分なノイズが発生します。」
この研究では、支配的な微視的ノイズ チャネルを特定することで、量子センシングと情報処理に直接的な影響を与える、NV{0}} ベースの量子デバイスを改善するためのロードマップを提供します。
「表面での電子の運動を説明すると、理論と実験が最終的に一致します」と名倉氏は言う。
