Коллектив ученых из МФТИ и исследовательского института Женгжоу (Харбинский политехнический университет, Китай) построил новый «мост» между теорией и практикой для квантовых технологий на основе алмаза. Их работа показала возможности «деформационной инженерии» для стабилизации цветных центров алмазов. Результаты этого исследования открывают перспективы для разработок квантовых устройств.
Цветные центры алмаза — это точечные дефекты в кристаллической решетке алмаза. Один атом углерода (C) замещен атомом азота (N), а на месте другого соседнего атома углерода находится вакансия (V) — область, в которой отсутствует атом. Эти дефекты называются цветными, потому что благодаря им кристалл приобретает окраску. Существуют два типа состояний NV-центров: не имеющие заряда (NV0) и отрицательно заряженные (NV–). Именно они представляют интерес для квантовых технологий, поскольку обладают спиновыми состояниями — «внутренними вращениями» электрона, которые могут показывать два положения «вверх» и «вниз» и использоваться как квантовый бит. Их возможное положение можно определять оптическими методами и контролировать при комнатной температуре.
Ранние исследования в основном ограничивались изучением настройки резонансов NV–-центров. Коллектив ученых из Китая и России впервые систематически исследовал влияние однонаправленного механического воздействия на все NV-центры, раскрывая механизмы их работы на атомном уровне. Они получили теоретические основы «деформационного инжиниринга», которые могут быть использованы при проектировании новых квантовых сенсоров. Результаты исследования опубликованы в журнале Functional Diamond.
Авторы использовали подход инженерии напряжения — деформации материала для измерения его свойств. Они создали виртуальную модель алмаза с NV-центрами и применили к ней напряжения по трем направлениям кристаллической решетки. После этого они проанализировали влияние приложенного воздействия на распределение энергетических уровней алмаза, длину связей и электронные свойства. Применение деформации вдоль двух кристаллографических направлений (основные оси кристаллической структуры) показало различные изменения ширины запрещенной зоны (зазора между энергетическим уровнаями, где нет электронов), делая материал лучшим проводником или меняя область поглощения. Также она повлияла на число энергетических уровней, на которых могут находиться электроны (плотность состояний). Все это характеризует насколько электроны «зафиксированы» в области дефекта, то есть насколько они стабильны. На основе полученных результатов ученые выявили общие закономерности без реальных экспериментов, опираясь на программный пакет VASP для симуляций.
«Мы наблюдали изменения в плотности состояний и зонной структуре алмаза, что говорило о возможности контролировать ширину запрещенной зоны алмаза, зарядовые состояния и стабильность одного из NV-состояний центра окраски. Последнее было наиболее неожиданным для нас», — поделился Михаил Шестаков, доцент Центра образовательных программ Физтех-школы аэрокосмических технологий МФТИ.
Ключевым результатом исследования стало то, что «деформационная инженерия» может помочь стабилизировать NV–-состояния центров в алмазе. Именно такие центры в условиях сильных деформаций более стабильны, чем NV0-состояния, по двум кристаллографическим направлениям. Это делает NV–-центры термодинамически предпочтительнее уже при деформации свыше двух процентов.
Кроме того, предложенный метод выявил анизотропию при механическом воздействий на цветные центры в алмазе. Это значит, что деформация по одной кристаллической оси может вызвать сужение запрещенной зоны в два раза, делая его более проводящим. А по другой оси — материал практически «игнорирует» приложенное на него воздействие.
«Наши исследования могут быть полезны при создании различных квантовых устройств. Например, эффект влияния деформации на ширину запрещенной зоны может быть использован для создания квантовых сенсоров деформации»,— отметил Михаил Шестаков.
Результаты статьи предоставляют новую теоретическую базу для использования инженерии напряжения в управлении свойствами NV-центров в алмазе.