Новые достижения в области квантовых технологий становятся возможными благодаря уникальным свойствам алмаза и, в частности, так называемым NV-центрам — дефектам в кристаллической решетке, способным служить основой для сверхточных датчиков, квантовой памяти и систем связи нового поколения. Благодаря прорыву ученых МФТИ, под руководством Михаила Шестакова, удалось раскрыть, как механическая деформация кристаллов алмаза позволяет еще более эффективно управлять этими NV-центрами, делая их идеальными кандидатами для создания стабильных и управляемых кубитов при комнатной температуре.
NV-центры: ключ к квантовому будущему
Квантовые центры окраски, известные как NV-центры, представляют собой точки в кристаллической структуре алмаза, где один из атомов углерода заменен атомом азота, а соседнее место в кристалле остается свободным. Эти необычные «нарушения» структуры придают кристаллу особый цвет, и именно такая точечная комбинация — азот рядом с вакансией — создает уникальные квантовые свойства. Различают два главных типа состояний NV-центров: нейтральное (NV0) и отрицательно заряженное (NV–).
Самое примечательное, что именно NV–-центры обладают устойчивыми спиновыми состояниями, которые могут быть «прочитаны» и «заданы» с помощью обычного оптического оборудования, что значительно упрощает работу с ними в условиях лабораторий и даже при комнатной температуре. Эти свойства делают NV-центры идеальными для реализации квантовых битов — кубитов, необходимых для современных и будущих квантовых вычислений.
Деформация как инструмент управления NV-центрами
Ранее основное внимание ученые уделяли тонкой настройке резонансов NV-центров с помощью внешних магнитных и электрических полей. Однако коллектив исследователей с участием Михаила Шестакова впервые провел масштабное теоретическое исследование влияния механического напряжения на все типы NV-центров. Они заложили фундамент для так называемой «деформационной инженерии», которая дает возможность проектировать новые поколения квантовых устройств и сенсоров с управляемыми и предсказуемыми характеристиками.
С помощью виртуального моделирования они подвергли искусственный кристалл алмаза с NV-центрами механическим воздействиям по разным направлениям кристаллической решетки. Анализ проводился с учетом изменений ширины запрещенной зоны, распределения и плотности энергетических уровней, длины связей и электронной структуры вещества. Выяснилось, что степень и направление деформации позволяют целенаправленно изменять квантовые параметры NV-центров, а при определенных условиях даже значительно повысить их стабильность.
Преимущества механической деформации
Главное открытие этого исследования — возможность целенаправленно стабилизировать отрицательно заряженные NV–-центры при помощи механической деформации. Даже небольшое изменение формы кристалла (более 2% деформации) приводит к тому, что NV–-состояния становятся термодинамически наиболее предпочтительными, то есть электрон в этих состояниях «заперт» и защищен от внешних воздействий. Это значительно повышает жизнеспособность и надежность квантовых битов, реализованных на базе таких центров в алмазе.
Кроме того, выявлена высокая анизотропия — зависимость изменений электронных свойств от направления приложенного напряжения. Если воздействовать на алмаз вдоль определенной кристаллографической оси, можно почти вдвое сузить запрещенную зону и улучшить проводимость материала, а вдоль другой оси эффект может быть практически неощутимым. Такой управляемый подход открывает дорогу к созданию устройств с заранее заданными свойствами, точной настройкой чувствительности и стабильности.
Квантовые сенсоры нового поколения
Обнаруженные эффекты позволяют использовать алмазы с NV-центрами не только в квантовых вычислителях, но и в высокоточных сенсорах. Ведь изменение ширины запрещенной зоны под действием деформации используется для сверхточных измерений. Устройства такого типа могут применяться для обнаружения малейших изменений давления или температуры, в медицине, материаловедении, а также в аэрокосмических технологиях.
Как отмечает Михаил Шестаков, теперь стало возможно управлять параметрами NV-центров заранее — не только посредством внешних полей, но и за счет механического влияния. Это открывает широчайшие перспективы для создания квантовых технологий, которые будут работать без подогрева, сверхнизких температур и сложных установок.
Теоретическая база для будущих разработок
Важным итогом работы стало построение теоретической платформы, позволяющей осознанно прогнозировать результаты при различных типах механической обработки алмаза с NV-центрами. Использование компьютерного моделирования вместо сложных и дорогих экспериментов экономит ресурсы, но при этом позволяет глубоко понять природу квантовых эффектов и оптимально управлять состояниями материала.
Новые знания и методики, полученные командой Михаила Шестакова из МФТИ, в перспективе существенно ускорят появление практических квантовых сенсоров и компонентов вычислительных машин будущего, основанных на алмазе. Это важный шаг к массовому внедрению квантовых технологий в самые разные сферы жизни.
Позитивный взгляд в будущее квантовых технологий
Исследования показали, что при правильном подходе можно добиться эффективного и управляемого контроля над квантовыми состояниями алмаза за счет механической деформации, при этом делая его идеальным материалом для современных и будущих технологических решений. Такой оптимистичный результат вселяет уверенность в то, что алмаз и его NV-центры займут ключевое место в эпоху революции квантовых устройств и датчиков. Все больше российских ученых, в том числе представители МФТИ, выходят на международный уровень, предлагая новые принципы проектирования квантовых материалов, доступных для массового применения.
Источник: naked-science.ru
