Дефекты в алмазах могут стать идеальными магнитными сенсорами

Сотрудники Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) в сотрудничестве с коллегами из Гарвардского университета, смогли улучшить рабочие характеристики одного из самых чувствительных сенсоров магнитных полей — дефекта размером всего с пару атомов в кристаллической решетке алмаза.

Речь идет об одном из самых распространенных типов дефектов в алмазах, так называемой азотно-замещенной вакансии или NV-центре (nitrogen-vacancy, NV). Ее образует атом азота в сочетании с вакансией — местом в кристаллической структуре алмаза, где атом углерода отсутствует вообще. Оставшиеся несвязанными электроны в центре вакансии имеют четко выраженные спиновые состояния и чувствительны к малейшим вариациям магнитных и электрических полей.

«Спиновые состояния в NV-центрах сохраняют стабильность в широком диапазоне температур, —заявляет Дмитрий Будкер (Dmitry Budker), профессор физики UC Berkeley. — Даже мельчайшие сколы алмаза стоимостью несколько пенсов за грамм могут использоваться как полноценные сенсоры, поскольку количеством NV-центров легко управлять, облучая алмаз лазером».

Главной проблемой, с которой пришлось столкнуться ученым, стало обеспечение когерентности электронных спинов NV-центров. Чтобы предотвратить утерю заключенной в спине информации до ее измерения, эксперимент проводился в криостате при температуре 77 °K на синтетических алмазах из чистого углерода С-12. В природных алмазах присутствует небольшое количество изотопа углерода С-13, спин ядра которого служит дестабилизирующим фактором для электронных спинов в NV-центрах. Ядро C-12 в этом отношении является полностью нейтральным.

Ученые пропускали через охлажденные образцы лазерный луч в присутствии магнитного поля, что настраивало электронные спины NV-центров и вызывало флуоресценцию. Яркость ее служила показателем когерентности спиновых состояний.

Указанные меры позволили увеличить время когерентности группы электронных спинов NV более чем на два порядка величины по сравнению с предыдущими попытками. Дальнейший прогресс обеспечила методика, заимствованная из ЯМР. До истечения срока когерентности алмаз подвергался действию 10 тыс. коротких микроволновых импульсов, «разгоняющих» электронные спины и восстанавливающие их согласованность.

В итоге, удалось добиться периода когерентности спинов, превышающего полсекунды. Это достижение делает алмазные NV-центры весьма многообещающими кандидатами для практической реализации квантовых компьютеров. Однако более актуальные перспективы открытия состоят в возможности создания высокочувствительных датчиков осциллирующих магнитных полей с приложениями от биофизики до оборонной техники.

Исследование осуществлялось под эгидой программ «Science for Peace» — NATO и QuASAR — агентства DARPA, а также при поддержке Министерства обороны Израиля. Полученные результаты изложены в статье для Nature Communications.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI