حددت دراسة نظرية جديدة أجراها باحثون في جامعة شيكاغو ومختبر أرجون الوطني الآليات المجهرية التي تؤثر من خلالها الأسطح الماسية على التماسك الكمي لعيوب مراكز النيتروجين-الشاغرة (NV)-في الماس والتي تدعم بعض أجهزة الاستشعار الكمومية الأكثر حساسية اليوم. وقد ظهرت الدراسة فيمواد المراجعة البدنيةوتم اختيارها لتكون ورقة اقتراحات المحررين.
قالت جوليا جالي، الأستاذة في كلية الهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو (UChicago PME) وكبيرة العلماء في مختبر أرجون الوطني، "أحد التحديات- الطويلة الأمد هو فهم السبب وراء فقدان مراكز NV الضحلة لتماسكها بهذه السرعة". "من خلال الجمع بين النماذج السطحية-المبادئ الأولى ومحاكاة ديناميكيات الكم، فهمنا أن السبب وراء عدم الترابط ليس فقط ما هي السبينات التي تعيش على سطح الماس، ولكن أيضًا كيفية تحركها: ضجيج السطح ديناميكي."
توفر نتائج الدراسة إرشادات واضحة مستندة إلى الفيزياء-لهندسة الأسطح الماسية التي تساعد في الحفاظ على التماسك الكمي، وهو متطلب أساسي للاستشعار الكمي وتقنيات المعلومات الكمومية الناشئة.
تعتبر مراكز NV عبارة عن عيوب في المقياس الذري-للألماس والتي يمكن تهيئة حالات الدوران الكمي لها والتحكم فيها وقراءتها بصريًا في درجة حرارة الغرفة. عند وضعها بالقرب من سطح الماس، يمكن لمراكز NV اكتشاف الإشارات المغناطيسية والكهربائية الضعيفة للغاية من الجزيئات والمواد والأنظمة البيولوجية. ومع ذلك، فإن هذا القرب يعرضها أيضًا للضوضاء المرتبطة بالسطح-، مثل العيوب البارامغناطيسية المتقلبة والشحنة أو ضوضاء المجال الكهربائي-، مما يؤدي إلى تدهور تماسكها الكمي بسرعة ويحد من أداء المستشعر.
قال UChicago PME Ph.D: "في الأدبيات، غالبًا ما يُطلق على أصول الضوضاء السطحية اسم "الدوران X" أو "الدوران الداكن"، لأن الطبيعة المجهرية الدقيقة للضوضاء لم تكن مفهومة، وقد تنبع من مواقع غير نشطة بصريًا". المرشح جونا ناجورا، المؤلف الرئيسي للدراسة. "يساعد بحثنا في تحديد ما هو الضجيج على السطح بالضبط ويمهد الطريق للقضاء على الضوضاء بحيث يمكن للمرء إنشاء أجهزة استشعار كمومية أكثر تقدمًا وقوة."
في هذا العمل، جمع الباحثون بين النماذج الذرية المستندة إلى نظرية الكثافة الوظيفية- للأسطح الماسية وعمليات محاكاة فك الترابط الكمي المتقدمة لتحديد وعزل آليات الضوضاء السطحية السائدة.
وقال ناجورا: "أثناء عملية تصنيع الأسطح الماسية لتطبيقات الاستشعار، قد تنشأ عيوب سطحية غير مرغوب فيها، بما في ذلك ما نسميه الروابط المتدلية". "بعض هذه العيوب يمكن أن تستضيف إلكترونات غير متزاوجة، وتدور مغناطيسية تتقلب بمرور الوقت وتولد ضوضاء مغناطيسية تشوش مركز NV. يمكن أن يقلل هذا الضجيج من تماسك NV ويمكن أن يحجب إشارات الهدف الضعيفة التي نريد قياسها."
تظهر الدراسة أن الطريقة التي يتم بها إنهاء السطح كيميائيًا، لها تأثير عميق على تماسك NV. أظهرت حسابات ناجورا أن الأسطح المنتهية بالأكسجين- والنيتروجين-تحافظ إلى حد كبير على التماسك الكلي القريب من-حتى بالنسبة لمراكز NV التي تقع على بعد بضعة نانومترات فقط تحت السطح. على النقيض من ذلك، فإن الأسطح المنتهية بالهيدروجين- والفلور-تقدم ضوضاء مغناطيسية مرتبطة بالسطح-أقوى بكثير، مما يقلل بشكل كبير من أوقات التماسك.
"ومع ذلك، على الرغم من أهمية كيمياء النهاية والتوجه السطحي، فقد وجدنا أن استرخاء الإلكترون السطحي- وقفزه هو الذي يهيمن على تماسك NVs الضحلة،" قال ناجورا.
"يتفاعل دوران الإلكترون الموجود على السطح مع نفس نبضات الليزر المستخدمة لمعالجة وقراءة مركز NV. يمكن لضوء الليزر أن يؤدي إلى تغييرات في حالة شحنة السطح، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات غير المتزاوجة بين المواقع الذرية المختلفة. وتنتج هذه الحركة مجالات مغناطيسية متغيرة بمرور الوقت- والتي بدورها تولد ضوضاء إضافية."
ومن خلال تحديد قنوات الضوضاء المجهرية السائدة، توفر الدراسة خريطة طريق لتحسين الأجهزة الكمومية القائمة على NV-، مع آثار مباشرة على الاستشعار الكمي ومعالجة المعلومات.
وقال ناجورا: "بمجرد أن نأخذ في الاعتبار حركة الإلكترون على السطح، فإن النظرية والتجربة تتوافقان أخيرًا".
