Физики научились управлять квантовым состоянием дефектов в алмазе с помощью звука
Американские ученые построили микроэлектромеханическое устройство на основе кристалла алмаза с азотно-замещенными вакансиями и продемонстрировали возможность управления электронными спинами этих дефектов с помощью акустического спинового резонанса. Полученные результаты помогут в создании компактных высокочувствительных сенсоров с нанометровым пространственным разрешением и низким энергопотреблением. Статья опубликована в журнале Physical Review Applied.
Кристаллы алмаза используются физиками как материал для создания устройств квантовой обработки информации и чувствительных магнитных, электрических и температурных сенсоров с высокой разрешающей способностью. Для этих целей обычно применяют кристаллы с дефектами решетки — азотно-замещенными вакансиями, которые сокращенно называют NV-центрами. Они образуются в результате удаления атома углерода из узла решетки и связывания образовавшейся вакансии с атомом азота, замещающим позицию одного из соседних углеродов.
Для практических задач, связанных с управлением спинами NV-дефектов, состояние которых можно рассматривать как логические состояния кубитов, обычно используют отрицательно заряженные NV-центры, электронный спин S которых равен единице (за счет наличия двух неспаренных электронов в таком дефекте). Согласно квантовой механике, момент импульса и ассоциированный с ним магнитный момент дефекта квантуются и состояние NV-центров с наименьшей энергией (основное состояние) состоит из трех спиновых подуровней, соответствующих проекциям спина на некоторую выделенную ось Z, которые определяются значениями магнитного спинового квантового числа ms = −1, 0, +1.
При включении внешнего магнитного поля вдоль оси, проходящей через атом азота и вакансию углерода, происходит расщепление спиновых энергетических уровней основного состояния NV-центра, линейно зависящее от величины магнитного поля. Если при этом приложить в перпендикулярном направлении осциллирующее слабое магнитное поле в виде микроволнового излучения определенной частоты, совпадающей с расстоянием между расщепленными энергетическими уровнями, то произойдет поглощение кванта электромагнитного поля и переход системы в состояние с более высокой энергией с изменением числа ms на единицу. Это явление, называемое электронным парамагнитным (или спиновым) резонансом, — один из способов манипуляции электронными спинами NV-центров.
Американские ученые под руководством Грега Фукса (Greg Fuchs) из Корнельского университета продемонстрировали, что для тех же целей можно применять звуковые волны. Они построили микроэлектромеханическое устройство на основе алмаза, содержащего NV-центры, представляющее собой объемный акустический резонатор толщиной 20 микрометров.
С помощью пьезоэлектрического преобразователя, состоящего из тонкого слоя оксида цинка между двух электродов, закрепленных с плоской стороны резонатора (противоположная сторона имела сферическую форму), внутри объема генерировались стоячие акустические волны частотой от 2 до 3 гигагерц. Кольцевая магнитная антенна, диаметром 50 микрометров, расположенная вокруг акустического резонатора позволяла манипулировать электронными переходами NV-центров и с помощью традиционной техники электронного спинового резонанса.
Изменения состояния NV-центров, связанные со спиновыми переходами, регистрировались наблюдением за их фотолюминесценцией, возбуждаемой лазером с длиной волны 532 нанометра с помощью конфокального микроскопа.
Распространяющиеся по кристаллической решетке акустические колебания ведут себя как квазичастицы-фононы, и если подобрать их частоту так, чтобы энергия фонона совпадала с расстоянием между расщепленными подуровнями основного состояния NV-центра, то благодаря существованию спин-фононного взаимодействия происходит резонансное поглощение фонона, схожее с поглощением электромагнитного излучения при электронном парамагнитном резонансе, описанном выше. Причем при таком акустическом спиновом резонансе возможны переходы между электронными уровнями с проекциями ms = −1 и +1, которые запрещены квантово-механическими правилами отбора в случае электронного парамагнитного резонанса.
Главной проблемой, с которой столкнулись исследователи, стало паразитное высокочастотное электромагнитное поле, генерируемое вокруг электродов пьезоэлектрического преобразователя. Однако ученые смогли выделить вклад акустического воздействия и оценить коэффициент восприимчивости переходов между электронными состояниями NV-центров к звуковым волнам. Величина этого коэффициента оказалась почти на порядок выше предсказываемого теоретического значения.
По словам руководителя исследования это означает, что возможно создать устройство, в котором квантовым состоянием NV-центров можно управлять только с помощью акустических волн без применения микроволновых излучателей. Звуковые волны можно концентрировать в заданном объеме и таким образом контролировать спины в конкретных областях устройства, что гораздо труднее в случае с электромагнитными волнами, так как они представляют собой более «протяженный объект». Всё это позволит создать компактные устройства, например магнитометры для использования в навигации, с нанометровой пространственной разрешающей способностью и пониженным энергопотреблением. Сейчас исследователи работают над патентованием разработанной технологии.
Ранее мы рассказывали об ученых из Гарвардского университета, которые на основе алмаза с NV-дефектами создали самый маленький в мире радиоприемник.
Андрей Фокин
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».