Дефекты алмазов открывают путь к технологическому золоту

Используя двумерную электронную спектроскопию на пико- и фемтосекундных временных масштабах, исследовательская группа во главе с Грэмом Флемингом, вице-канцлером по исследованиям Калифорнийского университета в Беркли и научным сотрудником отдела физических биологических наук лаборатории Беркли, записала беспрецедентные наблюдения за движением энергии через примеси алмаза размером с атом, известные как центры вакансий азота (NV). NV-центр создается, когда два соседних атома углерода в кристалле алмаза заменяются атомом азота и пустым промежутком.«Использование нами двумерной электронной спектроскопии позволило нам по существу отображать поток энергии через NV-центр в реальном времени и наблюдать критические квантово-механические эффекты», — говорит Флеминг. «Результаты имеют большое значение для магнитометрии, квантовой информации, нанофотоники, зондирования и сверхбыстрой спектроскопии».

Флеминг является автором статьи в Nature Physics, в которой описывается это исследование, озаглавленное «Колебательная и электронная динамика азотно-вакансионных центров в алмазе, обнаруженная с помощью двумерной сверхбыстрой спектроскопии». Ведущий автор — Ванесса Хакстер, бывший член исследовательской группы Флеминга, а ныне профессор Университета Аризоны. Другими соавторами являются Томас Оливер и Дмитрий Будкер, которые работают совместно с Berkeley Lab и Калифорнийским университетом в Беркли.Эти измерения с помощью двумерной электронной спектроскопии предоставили нам первое окно в сверхбыструю динамику NV-центров в алмазе, — говорит Хакстер. «Мы смогли наблюдать ранее скрытые колебательные и электронные свойства системы NV-центров, включая открытие колебательных когерентностей. длительностью около двух пикосекунд, что в квантово-механическом масштабе является удивительно долгим временем ».

Учитывая повсеместное присутствие слабых магнитных полей, достаточно чувствительный детектор может использоваться в широком диапазоне приложений, включая медицинские диагностические и лечебные процедуры, химические анализы, разведку энергетики и национальную безопасность (для обнаружения взрывчатых веществ). Алмазные NV-центры считаются одними из лучших магнитных сенсоров на наноуровне. Центры Diamond NV также являются многообещающими кандидатами для создания кубитов — данных, закодированных с помощью квантового вращения, а не электрического заряда, которые будут сердцем и душой квантовых вычислений.

Кубиты могут хранить экспоненциально больше данных и обрабатывать их в миллиарды раз быстрее, чем классические компьютерные биты. Однако для того, чтобы эти богатые обещания были полностью выполнены, необходимо гораздо лучшее фундаментальное понимание динамики электронного состояния, когда NV-центр находится под напряжением.Соавтор статьи Будкер, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли из отдела ядерных наук и ведущий специалист в области физики NV-центров, говорит: «NV-центры в алмазе уже становятся рабочей лошадкой в ​​магнитометрии и других сенсорных областях, но они остаются чем-то вроде черного ящика. в том, что мы до сих пор не знаем, понимаем некоторые важные особенности их энергетических уровней и динамики. Наши результаты в этом исследовании обеспечивают отправную точку для нового понимания таких критических явлений электронного состояния, как дефазировка, спиновая адресация и релаксация ».

Это исследование стало возможным благодаря уникальной методике 2D электронной спектроскопии, которая была впервые разработана Флемингом и его исследовательской группой для изучения квантово-механических основ фотосинтеза. Этот сверхбыстрый метод позволяет исследователям отслеживать передачу энергии между атомами или молекулами, которые связаны (связаны) посредством своих электронных и колебательных состояний. Отслеживание осуществляется как во времени, так и в пространстве.

Это достигается путем последовательного мигания света от трех лазерных лучей на образце, в то время как четвертый луч служит гетеродином для усиления и согласования по фазе результирующих спектроскопических сигналов.«Обеспечивая фемтосекундное временное разрешение и нанометровое пространственное разрешение, двумерная электронная спектроскопия позволяет нам одновременно отслеживать динамику множества электронных состояний», — говорит Флеминг, сравнивший эту технологию с ранними супергетеродинными радиоприемниками.В этом новом исследовании использование 2D электронной спектроскопии показало, что колебательные моды NV-центров в алмазе — предмет пристального научного интереса, поскольку эти моды напрямую влияют на оптические свойства и свойства материала — сильно связаны с дефектом.

«Мы смогли идентифицировать ряд отдельных колебательных мод и обнаружили, что почти все эти моды были локальными по отношению к центрам дефектов и были когерентными — квантово-механически связанными — в течение примерно двух пикосекунд», — говорит Хакстер.«Благодаря сочетанию теории и наблюдений исследователи заподозрили, что колебательные моды NV-центра были в первую очередь локальными для дефекта, но наше прямое наблюдение вибраций и их связи с состояниями возбуждения подтверждает эту идею».Кроме того, исследователи также смогли измерить безызлучательную релаксацию в возбужденном состоянии — свойство, которое необходимо понять и использовать для создания кубитов.

«Мы обнаружили, что временной масштаб безызлучательной релаксации для NV-центров в алмазе составляет около четырех пикосекунд, что оказалось медленнее, чем мы ожидали, учитывая количество колебательных состояний», — говорит Хакстер.Информация, полученная в результате этого исследования, должна позволить настроить свойства NV-центров в алмазах и открыть новые возможности для исследований.

«Например, оптически накачивая NV-центры, мы могли бы возбуждать фононные моды в зависимости от их коэффициентов связи», — говорит Флеминг. «Это позволило бы разработать алмазы с NV-центрами, которые можно было бы использовать для квантового хранения и обработки информации на основе как фононов, так и спина».Это исследование было поддержано в основном грантом Национального научного фонда.