Можно ли обнаружить одиночные спины по фотонапряжению?

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.
Можно ли обнаружить одиночные спины по фотонапряжению?
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.


Новое на сайте

19989Шесть историй, которые умещаются на ладони 19986Как 30 000 аккаунтов Facebook оказались в руках вьетнамских хакеров? 19985LofyGang вернулась: как бразильские хакеры охотятся на геймеров через поддельные читы 19984Автономная проверка защиты: как не отстать от ИИ-атак 19983Взлом Trellix: хакеры добрались до исходного кода одной из ведущих компаний по... 19982Почему почти 3000 монет в норвежском поле перевернули представление о викингах? 19981Как поддельная CAPTCHA опустошает ваш счёт и крадёт криптовалюту? 19980Слежка за каждым шагом: как ИИ превращает государство в машину тотального контроля 19979Как хакеры грабят компании через звонок в «техподдержку» 19978Почему именно Нью-Йорк стал самым уязвимым городом восточного побережья перед... 19977Как одна команда git push открывала доступ к миллионам репозиториев 19976Зачем древние народы убивали ножами и мечами: оружие как основа власти 19975Как Python-бэкдор DEEPDOOR крадёт ваши облачные пароли незаметно? 19974Послание в бутылке: математика невозможного 19973Почему ИИ-инфраструктура стала новой целью хакеров быстрее, чем ждали все?
Ссылка