За последние десятилетия физики и квантовые инженеры создали множество систем, использующих квантово-механические эффекты для выполнения различных функций. К таким системам относятся квантовые датчики — устройства, которые используют кубиты (единицы квантовой информации) для обнаружения слабых магнитных или электрических полей.
Исследователи из Центра исследований физики имени Вигнера Венгерской академии наук, Пекинского центра вычислительных наук, Университета науки и технологий Китая и других институтов недавно представили новую платформу квантовых датчиков, использующую спиновые кубиты на основе карбида кремния (SiC). Эти кубиты хранят квантовую информацию во внутреннем угловом моменте электронов.
Система, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Materials, работает при комнатной температуре и измеряет сигналы кубитов с помощью ближнего инфракрасного излучения.
«Наш проект начался с головоломки, — рассказал Адам Гали, старший автор статьи в интервью Phys.org. — Квантовые дефекты, расположенные всего в нескольких нанометрах под поверхностью, должны быть отличными датчиками, но на практике они улавливают множество «мусорных» сигналов от самой поверхности. Это особенно верно для SiC. Его стандартная оксидная поверхность полна блуждающих зарядов и спинов, которые создают шум, заглушающий квантовые дефекты, которые мы хотим использовать для обнаружения сигналов».
Вместо разработки методов или стратегий по снижению шума на обычных поверхностях SiC, Гали и его коллеги попытались создать совершенно новую поверхность. Это стало основной мотивацией их исследования.
«Наша цель — создать чистую, стабильную, биосовместимую поверхность SiC, которая не генерирует шум, чтобы мелкие квантовые дефекты под ней могли наконец делать то, что у них хорошо получается — чётко обнаруживать внешние сигналы, даже при комнатной температуре», — сказал Гали.
Квантовый датчик, представленный исследователями, был создан путём тщательной инженерии дефектов, известных как «дивикансии» и «дивикансия-подобные виды» в структурах 4H-SiC. В их системе эти дефекты ведут себя как крошечные квантовые спины, которыми можно управлять с помощью лазеров и микроволн.
«Поскольку они расположены всего в нескольких нанометрах под поверхностью, они чрезвычайно чувствительны к магнитным и химическим сигналам, поступающим от того, что находится сверху, например, от молекул или биологических образцов», — пояснил Гали.
В большинстве материалов, ранее использовавшихся для разработки квантовых датчиков, мелкие квантовые дефекты заглушаются шумом, возникающим из-за нежелательных зарядов и спинов на поверхности материалов. Чтобы решить эту проблему, Гали и его коллеги создали совершенно новую, биологически инертную поверхность, которая значительно подавляет эти шумные интерфейсные состояния.
«Когда поверхность успокоилась, квантовые спины наконец могут работать чисто и обнаруживать внешние сигналы с высокой точностью», — сказал Гали.
Ещё одним преимуществом является то, что дефекты SiC естественным образом излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне, который хорошо проникает в биологические материалы и жидкости. В сочетании со стабильной, химически инертной поверхностью это означает, что датчик надёжно работает при комнатной температуре и в биологических или водных средах, открывая возможности для практического квантового зондирования в реальных условиях.
В начальных тестах новая поверхность, разработанная авторами, показала многообещающие результаты, производя значительно меньше шума и тем самым повышая стабильность кубитов. Эта недавняя работа подчёркивает влияние химии материала на производительность квантовых технологий, показывая, что тщательно спроектированные квантовые дефекты могут значительно снизить шум, возникающий из-за поверхностных состояний.
«Заменив обычный оксид поверхностью SiC, оканчивающейся алкеном, мы смогли подавить шумные интерфейсные дефекты, которые обычно заглушают квантовый сигнал», — сказал Гали. «Это позволило нам получить чистые, высококачественные данные о спинах из дефектов, расположенных всего в нескольких нанометрах под поверхностью, — то, что было невозможно на обычном окисленном SiC».
Примечательно, что исследователи показали, что мелкие дефекты на их новой поверхности могут также реализовывать стабильные протоколы спинового зондирования при комнатной температуре и в средах, которые обычно считаются слишком шумными или химически активными. Их стратегия инженерии поверхности не только улучшила сигналы в их системе, но и превратила SiC в жизнеспособную платформу для реализации квантового зондирования на наноуровне.
«Эти достижения открывают широкий спектр применений», — сказал Гали. «Датчик может быть использован для обнаружения наномасштабных магнитных полей, поверхностного ЯМР крошечных молекулярных образцов и исследования химических или биологических процессов в реальном времени».
Два ключевых преимущества поверхности команды — её биоинертность (совместимость с живыми тканями и биологическими системами) и способность излучать свет в ближнем инфракрасном диапазоне. В будущем датчики, основанные на этой поверхности, могут быть использованы для создания биосовместимых устройств квантового зондирования, которые можно будет безопасно имплантировать в тело или использовать в средах, заполненных химически активными веществами.
«Заглядывая вперёд, мы хотим ещё больше расширить возможности этой платформы, — сказал Гали. — Одно из направлений — улучшение методов создания мелких квантовых дефектов, чтобы их глубина, плотность и зарядовое состояние можно было контролировать с ещё большей точностью».
«Параллельно мы планируем усовершенствовать химию поверхности, упрощая прикрепление конкретных биологических или химических мишеней непосредственно к датчику контролируемым и стабильным образом», — добавил он.
Исследователи планируют усовершенствовать разработанную ими поверхность. Например, они работают над улучшенной версией своей поверхности, основанной на изотопически очищенном SiC — более чистой форме SiC, которая может продлить время когерентности спинов в их системе, повышая её чувствительность.
«Наша следующая цель — перейти от демонстраций к реальным экспериментам по зондированию: обнаружению парамагнитных молекул, проведению наномасштабного ЯМР на поверхностно-связанных образцах и, в конечном итоге, исследованию биологических или химических процессов в реалистичных средах», — добавил Гали.
«Короче говоря, мы работаем над тем, чтобы превратить эту систему в универсальный инструмент квантового зондирования при комнатной температуре для химии, биологии и материаловедения», — заключил он.