Используя двумерную электронную спектроскопию на pico-и временных рамках фемтосекунды, исследовательская группа во главе с Грэмом Флемингом, Вице-канцлером для Исследования в УКЕ Беркли и ученом способности с Физическим Подразделением Биологических наук Berkeley Lab, сделала запись беспрецедентных наблюдений за энергией, перемещающейся через алмазные примеси размера атома, известные как центры вакансии азота (NV). Центр NV создан, когда два смежных атома углерода в алмазном кристалле заменены атомом азота и пустым промежутком.«Наше использование 2D электронной спектроскопии позволило нам по существу наносить на карту поток энергии через центр NV в режиме реального времени и наблюдать критический квант механические эффекты», говорит Флеминг. «Результаты держат широкие последствия для магнитометрии, информации о кванте, нанофотоники, ощущая и сверхбыстрой спектроскопии».
Фламандец – соответствующий автор статьи по своей природе Физика, которая описывает это исследование, названное «Вибрационная и электронная динамика центров вакансии азота в алмазе, показанном двумерной сверхбыстрой спектроскопией». Ведущий автор – Ванесса Хукстер, бывший член исследовательской группы фламандца и теперь преподаватель в Аризонском университете.
Другие соавторы – Томас Оливер и Дмитрий Будкер, оба из которых держит совместные встречи с Berkeley Lab и УКОМ Беркли.Эти 2D электронные измерения спектроскопии предоставили нам первое окно в сверхбыструю динамику центров NV в алмазе», говорит Хукстер. «Мы смогли наблюдать ранее скрытые вибрационные и электронные свойства системы центра NV, включая открытие вибрационной последовательности, длящейся приблизительно две пикосекунды, которые на кванте механический масштаб – удивительно долгое время».Учитывая повсеместное присутствие слабых магнитных полей, достаточно чувствительный датчик мог использоваться в широком спектре заявлений включая медицинские диагностические и лечебные процедуры, химические исследования, энергетическое исследование и национальную безопасность (чтобы обнаружить взрывчатые вещества).
Алмазные центры NV, как считается, являются одним из самых прекрасных магнитных датчиков, возможных на наноразмерном. Алмазные центры NV – также очень многообещающие кандидаты на создание кубитов – данные, закодированные через квантовое вращение, а не электрическое обвинение, которое будет сердцем и душой квантового вычисления.
Кубиты могут хранить по экспоненте больше данных и обработать их миллиарды времен быстрее, чем классические компьютерные биты. Однако для этих богатых обещаний, которые будут полностью встречены, намного лучшее фундаментальное понимание необходимо динамики электронного состояния, когда центр NV возбужден.Говорит соавтор Бадкер, преподаватель физики УКА Беркли с Ядерным Научным Подразделением Berkeley Lab и ведущим органом на физике центра NV, «центры NV в алмазе уже становятся рабочей лошадью в магнитометрии и других областях датчика, но они остаются своего рода черным ящиком в этом, мы все еще не знаем, понимают некоторые важные особенности их энергетических уровней и динамики.
Наши результаты в этом исследовании обеспечивают отправную точку для нового понимания таких критических явлений электронного состояния как dephasing, обращение вращения и релаксация».Это исследование было сделано возможным уникальным 2D электронным методом спектроскопии, который был сначала развит фламандцем и его исследовательской группой, чтобы изучить квант механические подкрепления фотосинтеза. Эта сверхбыстрая техника позволяет исследователям отследить передачу энергии между атомами или молекулами, которые соединены (связанные) через их электронные и вибрационные государства. Отслеживание сделано в течение обоих времени и пространства.
Это достигнуто последовательно сигнальным огнем от трех лазерных лучей на образце, в то время как четвертый луч служит местным генератором, чтобы усилить и матч фазы получающиеся спектроскопические сигналы.«Предоставляя фемтосекунде временную резолюцию и пространственное разрешение миллимикрона, 2D электронная спектроскопия позволяет нам одновременно следовать за динамикой многократных электронных состояний», говорит Флеминг, который сравнил эту технологию с ранними радио супергетеродины.В этом новом исследовании использование 2D электронной спектроскопии показало, что вибрационные способы NV сосредотачиваются в алмазе – предмет острого научного интереса, потому что эти способы непосредственно затрагивают оптические и свойства материала – сильно соединены с дефектом.«Мы смогли определить много отдельных вибрационных способов и нашли, что эти способы были почти всем местным жителем к центрам дефекта и что они были последовательными – квант, механически соединенный – приблизительно для двух пикосекунд», говорит Хукстер.
«Через комбинацию теории и наблюдения, исследователи подозревали, что NV сосредотачиваются, вибрационные способы были, прежде всего, местными к дефекту, но наше непосредственное наблюдение колебаний и их сцепления к состояниям возбуждения подтверждает эту идею».Кроме того, исследователи также смогли измерить неизлучающую релаксацию во взволнованном государстве, собственность, которая должна пониматься и эксплуатироваться для создания кубитов.
«Мы нашли, что неизлучающие временные рамки релаксации для центров NV в алмазе были приблизительно четырьмя пикосекундами, который был медленнее, чем мы ожидали, учитывая количество вибрационных государств», говорит Хукстер.Информация, приобретенная от этого исследования, должна позволить настроить свойства центров NV в алмазах и открыть новые пути для исследования.
«Например, оптически качая NV сосредотачивается, мы могли определенно взволновать способы фонона на основе их факторов сцепления», говорит Флеминг. «Это позволило бы развитие алмазов с центрами NV, которые могут использоваться для квантового хранения и обработки информации на основе обоих фононов и вращения».Это исследование было поддержано, прежде всего, грантом от Национального научного фонда.