Un nuevo estudio teórico dirigido por investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne ha identificado los mecanismos microscópicos mediante los cuales las superficies de los diamantes afectan la coherencia cuántica de los defectos de los -centros vacantes (NV) de nitrógeno- del diamante que sustentan algunos de los sensores cuánticos más sensibles de la actualidad. El estudio ha aparecido enMateriales de revisión físicay fue seleccionado para ser un artículo de sugerencia de los editores.
"Uno de los desafíos-de larga data ha sido comprender por qué los centros NV poco profundos pierden coherencia tan rápidamente", afirmó Giulia Galli, profesora de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UCicago PME) y científica principal del Laboratorio Nacional Argonne. "Al combinar los modelos de superficie de los primeros-principios con simulaciones de dinámica cuántica, entendimos que el culpable de la decoherencia no es solo qué espines viven en la superficie del diamante, sino cómo se mueven: el ruido de la superficie es dinámico".
Los hallazgos del estudio proporcionan pautas claras basadas-en la física para diseñar superficies de diamantes que ayudan a preservar la coherencia cuántica, un requisito clave para la detección cuántica y las tecnologías de información cuántica emergentes.
Los centros NV son defectos de escala atómica-en el diamante cuyos estados de espín cuántico pueden inicializarse, controlarse y leerse ópticamente a temperatura ambiente. Cuando se colocan cerca de la superficie de un diamante, los centros NV pueden detectar señales magnéticas y eléctricas extremadamente débiles de moléculas, materiales y sistemas biológicos. Sin embargo, esta proximidad también los expone a ruido-relacionado con la superficie, como defectos paramagnéticos fluctuantes y ruido de carga o campo eléctrico-, que degrada rápidamente su coherencia cuántica y limita el rendimiento del sensor.
"En la literatura, los orígenes del ruido de la superficie a menudo se han llamado 'espines X' o 'espines oscuros', porque no se entendía la naturaleza microscópica precisa del ruido, y puede provenir de sitios ópticamente inactivos", dijo UChicago PME Ph.D. candidato Jonah Nagura, autor principal del estudio. "Nuestra investigación ayuda a identificar exactamente qué es ruidoso en la superficie y establece un camino para eliminar el ruido de modo que se puedan crear sensores cuánticos más avanzados y potentes".
En este trabajo, los investigadores combinaron modelos atomísticos de superficies de diamantes basados en la teoría funcional de la densidad-con simulaciones avanzadas de decoherencia cuántica para identificar y aislar los mecanismos de ruido superficial dominantes.
"Durante el proceso de fabricación de superficies de diamante para aplicaciones de detección, se pueden crear defectos superficiales no deseados, incluidos lo que llamamos enlaces colgantes", dijo Nagura. "Algunos de estos defectos pueden albergar electrones desapareados, espines paramagnéticos que fluctúan con el tiempo y generan ruido magnético que perturba el centro NV. Ese ruido puede reducir la coherencia del NV y puede oscurecer las señales débiles del objetivo que se quiere medir".
El estudio muestra que la forma en que se termina químicamente la superficie tiene un profundo impacto en la coherencia NV. Los cálculos de Nagura mostraron que las superficies terminadas en oxígeno- y nitrógeno-conservan en gran medida una coherencia casi-masiva incluso para los centros NV que se encuentran a solo unos pocos nanómetros debajo de la superficie. Por el contrario, las superficies terminadas en hidrógeno- y flúor- introducen un ruido magnético relacionado con la superficie-mucho más fuerte, lo que acorta drásticamente los tiempos de coherencia.
"Sin embargo, si bien la química de terminación y la orientación de las facetas sí importan, descubrimos que es la relajación y el salto de los electrones en la superficie-los que dominan la coherencia de las NV superficiales", afirmó Nagura.
"Los espines de los electrones presentes en la superficie interactúan con los mismos pulsos láser que se utilizan para manipular y leer el centro NV. La luz láser puede provocar cambios en el estado de carga de la superficie, provocando que electrones desapareados salten entre diferentes sitios atómicos. Ese movimiento produce campos magnéticos adicionales que varían en el tiempo-que a su vez generan ruido adicional".
Al identificar los canales de ruido microscópico dominantes, el estudio proporciona una hoja de ruta para mejorar los dispositivos cuánticos basados en NV-, con implicaciones directas para la detección cuántica y el procesamiento de la información.
"Una vez que tengamos en cuenta el movimiento de los electrones en la superficie, la teoría y el experimento finalmente se alinearán", dijo Nagura.
