Алмазы с дефектами, известными как цветные центры, уже доказали свою эффективность как квантовые сенсоры и возможные кубиты для квантовых компьютеров. В этих центрах квантовая информация хранится в состоянии спина электрона. Однако традиционный способ считывания спинового состояния связан с оптическим детектированием единичных фотонов, что требует сложных и дорогих экспериментов.
Особое внимание в этой области уделяется центрам азот-вакансия (NV-центрам) в алмазе. Их спиновое состояние можно контролировать при помощи микроволнового излучения, что делает такие алмазы подходящими как для сенсорики, так и для квантовой информации. Однако оптическое считывание спина связано с фундаментальным ограничением: при переключении спина NV-центр испускает только один фотон, и этот сигнал чрезвычайно слаб.
Группа исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) предложила принципиально иной способ обнаружения состояния спина, опубликованный в журнале Nature Communications. Новый метод позволяет фиксировать отдельные спиновые состояния не оптически, а по возникающему фотонапряжению, что заметно упрощает конструкцию устройств и расширяет возможности применения.
В основе метода лежит использование модифицированной атомно-силовой микроскопии — так называемой Kelvin probe force microscopy (KPFM). Как отмечает д-р Борис Найденов: «Идея заключалась в том, что такие дефектные центры обладают не только спиновым состоянием, но и электрическим зарядом». При лазерном возбуждении NV-центров в алмазе возникают свободные носители заряда, которые захватываются поверхностными состояниями. Это приводит к возникновению локального фотонапряжения, которое можно измерить непосредственно на поверхности алмаза.
Сергею Трофимову, проводившему измерения в рамках своей докторской работы, удалось доказать, что фотонапряжение зависит от спинового состояния NV-центра: «Фотонапряжение зависит от электронного спина NV-центра, и таким образом мы действительно можем считать отдельный спин». Для этого требуется только создание подходящих электрических контактов, без применения сложной оптической схемы и сверхчувствительных фотодетекторов.
Метод позволил отслеживать динамику спиновых состояний посредством когерентного управления микроволновым излучением. Это открывает путь к созданию сверхкомпактных квантовых сенсоров и вычислительных устройств, в которых вся оптика заменяется простыми электронными компонентами. Профессор Клаус Липс подчёркивает: «Это откроет путь к созданию действительно миниатюрных и компактных алмазных устройств, поскольку необходимы будут только подходящие контакты вместо сложной оптики и одиночных фотонных детекторов».
Более того, предложенный способ не ограничивается только алмазными NV-центрами. По словам Клауса Липса, «новый метод считывания может быть использован и в других твердофазных системах, где наблюдается электронный спиновый резонанс дефектных центров». Это означает, что подход может быть адаптирован для широкого спектра материалов и задач квантовой сенсорики.
В результате, исключительно по измерению фотонапряжения вокруг NV-центра теперь возможно определять спиновое состояние отдельного дефекта и отслеживать его изменения. Это существенно расширяет потенциал практического применения алмазных квантовых технологий и делает их интеграцию в микроэлектронику более реальной.
Изображение носит иллюстративный характер
Особое внимание в этой области уделяется центрам азот-вакансия (NV-центрам) в алмазе. Их спиновое состояние можно контролировать при помощи микроволнового излучения, что делает такие алмазы подходящими как для сенсорики, так и для квантовой информации. Однако оптическое считывание спина связано с фундаментальным ограничением: при переключении спина NV-центр испускает только один фотон, и этот сигнал чрезвычайно слаб.
Группа исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) предложила принципиально иной способ обнаружения состояния спина, опубликованный в журнале Nature Communications. Новый метод позволяет фиксировать отдельные спиновые состояния не оптически, а по возникающему фотонапряжению, что заметно упрощает конструкцию устройств и расширяет возможности применения.
В основе метода лежит использование модифицированной атомно-силовой микроскопии — так называемой Kelvin probe force microscopy (KPFM). Как отмечает д-р Борис Найденов: «Идея заключалась в том, что такие дефектные центры обладают не только спиновым состоянием, но и электрическим зарядом». При лазерном возбуждении NV-центров в алмазе возникают свободные носители заряда, которые захватываются поверхностными состояниями. Это приводит к возникновению локального фотонапряжения, которое можно измерить непосредственно на поверхности алмаза.
Сергею Трофимову, проводившему измерения в рамках своей докторской работы, удалось доказать, что фотонапряжение зависит от спинового состояния NV-центра: «Фотонапряжение зависит от электронного спина NV-центра, и таким образом мы действительно можем считать отдельный спин». Для этого требуется только создание подходящих электрических контактов, без применения сложной оптической схемы и сверхчувствительных фотодетекторов.
Метод позволил отслеживать динамику спиновых состояний посредством когерентного управления микроволновым излучением. Это открывает путь к созданию сверхкомпактных квантовых сенсоров и вычислительных устройств, в которых вся оптика заменяется простыми электронными компонентами. Профессор Клаус Липс подчёркивает: «Это откроет путь к созданию действительно миниатюрных и компактных алмазных устройств, поскольку необходимы будут только подходящие контакты вместо сложной оптики и одиночных фотонных детекторов».
Более того, предложенный способ не ограничивается только алмазными NV-центрами. По словам Клауса Липса, «новый метод считывания может быть использован и в других твердофазных системах, где наблюдается электронный спиновый резонанс дефектных центров». Это означает, что подход может быть адаптирован для широкого спектра материалов и задач квантовой сенсорики.
В результате, исключительно по измерению фотонапряжения вокруг NV-центра теперь возможно определять спиновое состояние отдельного дефекта и отслеживать его изменения. Это существенно расширяет потенциал практического применения алмазных квантовых технологий и делает их интеграцию в микроэлектронику более реальной.
