Mae astudiaeth ddamcaniaethol newydd dan arweiniad ymchwilwyr ym Mhrifysgol Chicago a Labordy Cenedlaethol Argonne wedi nodi'r mecanweithiau microsgopig y mae arwynebau diemwnt yn eu defnyddio i effeithio ar gydlyniad cwantwm canolfannau nitrogen (NV)-diffygion mewn diemwnt sy'n sail i rai o synwyryddion cwantwm mwyaf sensitif heddiw. Mae'r astudiaeth wedi ymddangos ynDeunyddiau Adolygu Corfforola chafodd ei ddewis i fod yn bapur Awgrym y Golygydd.
“Un her hirsefydlog fu deall pam mae canolfannau NV bas yn colli cydlyniad mor gyflym,” meddai Giulia Galli, athro yn Ysgol Peirianneg Foleciwlaidd Prifysgol Chicago Pritzker (UChicago PME) ac uwch wyddonydd yn Labordy Cenedlaethol Argonne. “Trwy gyfuno modelau arwyneb yr egwyddorion cyntaf ag efelychiadau deinameg cwantwm, fe ddeallon ni nad yn unig pa droelli sy’n byw ar yr wyneb diemwnt yw’r tramgwyddwr o ran cydlyniad, ond sut maen nhw’n symud: mae sŵn arwyneb yn ddeinamig.”
Mae canfyddiadau'r astudiaeth yn darparu canllawiau clir, seiliedig ar ffiseg, ar gyfer arwynebau diemwnt peirianneg sy'n helpu i gadw cydlyniad cwantwm, gofyniad allweddol ar gyfer synhwyro cwantwm a thechnolegau gwybodaeth cwantwm sy'n dod i'r amlwg.
Mae canolfannau NV yn ddiffygion-graddfa atomig mewn diemwnt y mae eu cyflyrau troelli cwantwm yn gallu cael eu cychwyn, eu rheoli, a'u darllen yn optegol ar dymheredd ystafell. Pan gânt eu gosod yn agos at wyneb diemwnt, gall canolfannau NV ganfod signalau magnetig a thrydanol hynod wan o foleciwlau, deunyddiau a systemau biolegol. Ond mae'r agosrwydd hwn hefyd yn eu gwneud yn agored i sŵn sy'n gysylltiedig ag arwyneb, megis diffygion paramagnetig anwadal a gwefr neu sŵn maes trydanol, sy'n diraddio eu cydlyniad cwantwm yn gyflym ac yn cyfyngu ar berfformiad y synhwyrydd.
"Yn y llenyddiaeth, mae tarddiad sŵn arwyneb yn aml wedi cael ei alw'n 'X spins' neu 'sbins tywyll,' oherwydd ni ddeallwyd union natur ficrosgopig y sŵn, a gall ddeillio o safleoedd optegol anweithredol," meddai UChicago PME Ph.D. yr ymgeisydd Jonah Nagura, prif awdur yr astudiaeth. "Mae ein hymchwil yn helpu i nodi'n union beth sy'n swnllyd ar yr wyneb ac yn gosod llwybr ar gyfer dileu'r sŵn fel y gall rhywun greu synwyryddion cwantwm mwy datblygedig a phwerus."
Yn y gwaith hwn, cyfunodd yr ymchwilwyr fodelau atomistaidd o arwynebau diemwnt yn seiliedig ar theori dwysedd ymarferol ag efelychiadau uwch o gydlyniad cwantwm i nodi ac ynysu'r prif fecanweithiau sŵn arwyneb.
"Yn ystod y broses saernïo arwynebau diemwnt ar gyfer synhwyro cymwysiadau, efallai y bydd diffygion arwyneb annymunol yn cael eu creu, gan gynnwys yr hyn rydyn ni'n ei alw'n fondiau hongian," meddai Nagura. "Gall rhai o'r diffygion hyn gynnal electronau heb eu paru, troelli paramagnetig sy'n amrywio dros amser a chynhyrchu sŵn magnetig sy'n amharu ar y ganolfan NV. Gall y sŵn hwnnw leihau cydlyniad y NV a gall guddio'r signalau targed gwan y mae rhywun am eu mesur."
Mae'r astudiaeth yn dangos bod y ffordd y caiff yr arwyneb ei derfynu'n gemegol, yn cael effaith ddwys ar gydlyniad NV. Dangosodd cyfrifiadau Nagura fod arwynebau terfynedig ocsigen- a nitrogen-yn cadw bron i gydlyniad swmp hyd yn oed ar gyfer canolfannau NV dim ond ychydig o nanometrau o dan yr wyneb. Mewn cyferbyniad, mae arwynebau terfynedig hydrogen- a fflworin-yn cyflwyno sŵn magnetig sy'n gysylltiedig ag arwyneb llawer cryfach, sy'n byrhau amseroedd cydlyniad yn sylweddol.
"Fodd bynnag, er bod cemeg terfynu a chyfeiriadedd ffased o bwys, canfuom mai ymlacio arwyneb a hercian sy'n dominyddu cydlyniad NVs bas," meddai Nagura.
"Mae'r troelli electronau sy'n bresennol ar yr wyneb yn rhyngweithio â'r un curiadau laser a ddefnyddir i drin a darllen y ganolfan NV ar goedd. Gall y golau laser ysgogi newidiadau yng nghyflwr gwefr yr arwyneb, gan achosi i electronau heb eu paru neidio rhwng gwahanol safleoedd atomig. Mae'r symudiad hwnnw'n cynhyrchu amser ychwanegol-gan amrywio meysydd magnetig sydd yn eu tro yn cynhyrchu sŵn ychwanegol."
Drwy nodi'r prif sianeli sŵn microsgopig, mae'r astudiaeth yn darparu map ffordd ar gyfer gwella dyfeisiau cwantwm seiliedig ar NV-, gyda goblygiadau uniongyrchol ar gyfer synhwyro cwantwm a phrosesu gwybodaeth.
“Unwaith i ni roi cyfrif am symudiad electronau ar yr wyneb, mae theori ac arbrofi yn cyd-fynd yn olaf,” meddai Nagura.
