СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–<sup>13</sup>C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Низовцев А. П.; Пушкарчук А. Л.; Кутень С. А.; Пушкарчук В. А.; Килин С. Я.; Лузанов А. В.; Жикол О. А.

СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–¹³C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Низовцев А. П., Пушкарчук А. Л., Кутень С. А., Пушкарчук В. А., Килин С. Я., Лузанов А. В., Жикол О. А.

2017

Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]H252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотропным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элементов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильности в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV–13C, по которым их можно идентифицировать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симметрии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV–13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV–13C, имеющих малые скорости переворотов (W0 .→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные системы NV–13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выполненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабильных систем NV–13C уже наблюдались экспериментально.

Низовцев А. П., Пушкарчук А. Л., Кутень С. А., Пушкарчук В. А., Килин С. Я., Лузанов А. В., Жикол О. А. СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–¹³C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук. 2017;(1):98-110.

Цитирование

Список литературы

1. Dowling, J. P. Quantum technology: the second quantum revolution / J. P. Dowling, G. L. Milburn // Philos. Trans. R. Soc. A: Math., Phys. and Engineering Sci. – 2003. – Vol. 361, № 1809. – P. 1655–1674.

2. Quantum technology: from research to application / W. P. Schleich [et al.] // Appl. Phys. B. – 2016. – Vol. 122. – P. 130.

3. Morton, J. J. L. Hybrid Solid-State Qubits: The Powerful Role of Electron Spins / J. J .L. Morton, B. W. Lovett // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. – 2011. Vol. 2, № 1. – P. 189–212.

4. Ardavan, A. Quantum control in spintronics / A. Ardavan, G. A. D. Briggs // Philos. Trans. R. Soc. A: Math., Phys. and Engineering Sci. –2011. – Vol. 369, № 1948. – P. 3229–3248.

5. Quantum computing with defects / J. R. Weber [et al.] // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. – 2010. – Vol. 107, № 1948. – P. 8513–8518.

6. Quantum Spintronics: Engineering and Manipulating Atom-Like Spins in Semiconductors / D. D. Awschalom [et al.] // Science. – 2013. – Vol. 339, № 6124. – P. 1174–1179.

7. Wrachtrup, J. Read-out of single spins by optical spectroscopy / J. Wrachtrup, F. Jelezko // J. Phys.: Condens. Matter. – 2004. – Vol. 16, № 30. – P. R1089–R1104.

8. Wrachtrup, J. Processing quantum information in diamond / J. Wrachtrup, F. Jelezko // J. Phys.: Condens. Matter. – 2006. – Vol. 18, № 21. – P. S807–S824.

9. Wrachtrup, J. Single defect centres in diamond: A review / J. Wrachtrup, F. Jelezko // Phys. Status Solidi (a). – 2006. – Vol. 203, № 13. – P. 3207–3225.

10. The nitrogen-vacancy color centre in diamond / M. W. Doherty [et al.] // Physics Reports. – 2013. – Vol. 528, № 1. – P. 1–45.

11. Quantum control over Single Spins in Diamond / V. V. Dobrovitski [et al.] // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. – 2013. – Vol. 4, № 1. – P. 23–50.

12. Observation of coherent oscillation of a single nuclear spin and realization of a two-qubit conditional quantum gate / F. Jelezko [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 93, № 13. –P. 130501.

13. CVD diamond for spintronics / M. L. Markham [et al.] // Diamond Relat. Mater. – 2011. –Vol. 20, № 2. –P. 134–139.

14. Fabrication of single optical centres in diamond – a review/ J.O. Orwa [et al.] // J. Lumin. – 2010. –Vol. 130, № 9. – P. 1646–1654.

15. Aharonovich, I. Diamond Nanophotonics / I. Aharonovich, E. Neu // Adv. Opt. Mater. – 2014. –Vol. 2, № 10. – P. 911–928.

16. Souza, A. M. Robust dynamical decoupling / A. M. Souza, G. A. Álvarez, D. Suter // Phil. Trans. R. Soc. A: Math., Phys. and Engineering Sci. – 2012. – Vol. 370, № 1976. –P. 4748–4769.

17. Smeltzer, B. 13C hyperfine interactions in the nitrogen-vacancy centre in diamond / B. Smeltzer, L. Childress, A. Gali // New J. Phys. – 2011. – Vol. 13, № 2. – P. 025021.

18. High-resolution spectroscopy of single NV defects coupled with nearby 13C nuclear spins in diamond / A. Dréau [et al.] // Phys. Rev. B. – 2012. – Vol. 85, № 13. – P. 134107.

19. Sensing single remote nuclear spins / N. Zhao [et al.] // Nat. Nanotech. – 2012. – Vol. 7, № 10. – P. 657–662.

20. Kolkowitz, S. Sensing distant nuclear spins with a single electron spin / S. Kolkowitz, Q. P. Unterreithmeier, S. D. Bennett, M. D. Lukin/ / Phys. Rev. Lett. – 2012. – Vol. 109, № 13. – P. 13760.

21. Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond / L. Rondin [et al.] // Rep. Prog. Phys. – 2014. – Vol. 77, № 5. – P. 056503.

22. Wrachtrup, J. Single spin magnetic resonance / J. Wrachtrup, A. Finkler // J. Magn. Reson. – 2016. – Vol. 269. – P. 225–236.

23. Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology / R. Schirhagl [et al.] // Annu. Rev. Phys. Chem. – 2014. – Vol. 65, № 1. – P. 83–105.

24. Nagl, A. Improving surface and defect center chemistry of fluorescent nanodiamonds for imaging purposes – a review / A. Nagl, S. R. Hemelaar, R. Schirhagl // Anal. Bioanal. Chem. – 2015. – Vol. 407, № 25. – P. 7521–7536.

25. Diamond integrated quantum photonics / A. D. Greentree [et al.] // Mater. Today. – 2008. – Vol. 11, № 9. – P. 22–31.

26. Castelletto, S. Quantum Effects in Silicon Carbide Hold Promise for Novel Integrated Devices and Sensors / S. Castelletto, B. C. Johnson, A. Boretti // Adv. Opt. Mater. – 2013. – Vol. 1, № 9. – P. 609–625.

27. Spin Centres in SiC for Quantum Technologies / G. V. Astakhov [et al.]// Appl. Magn. Reson. – 2016. – Vol. 47, № 1. – P. 793–812.

28. Ab Initio modeling of the electronic and spin properties of the [NV] –centers in diamond nanocrystals / V. A. Pushkarchuk [et al.] // Opt. Spectrosc. – 2005. – Vol. 99, № 2. – P. 245–256.

29. Modeling of atomic and electronic structure of diamond nanocrystals containing [NV]- centers by the density functional method / V. A. Pushkarchuk [et al.] // J. Appl. Spectrosc. – 2007. – Vol. 74, № 1. – P. 95–101.

30. Quantum Chemical Modeling of Structural, Electronic, and Spin Characteristics of NV Centers in Nanostructured Diamond: Surface Effect / V. A. Pushkarchuk [et. al]. // Opt. Spectrosc. – 2010. – Vol. 108, № 2. – P. 254–260.

31. Квантовые регистры на одиночных NV+n13С центрах в алмазе: I. Метод спин-гамильтониана / А. П. Низовцев [и др.] // Оптика и спектроскопия. – 2010. – Т. 108, № 2. – С. 260–269.

32. Spin-Hamiltonian analysis of quantum registers on single NV center and proximal13Cnuclei in diamond / Alexander P. Nizovtsev [et al.] // Quantum cryptography and computing: Theory and Implementation / eds. by R. Horodecki, S. Kilin, J. Kowalik/ – IOS Press, 2010. – Vol. 26. – P. 148–157.

33. Kramers Degenerated Spin Systems “NV Center + Few Proximal 13C Nuclei” in Diamond for Single-Spin Magnetometry / Alexander P. Nizovtsev [et al.] // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. – 2011. – Vol. 14, № 4. – P. 319–334.

34. Gali, A. Ab initio supercell calculations on nitrogen-vacancy center in diamond: Electronic structure and hyperfine tensors / A. Gali, M. Fyta, E. Kaxiras // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 77, № 15. – P. 155206.

35. Smeltzer, B. 13C hyperfine interactions in the nitrogen-vacancy centre in diamond / B. Smeltzer, L. Childress, A. Gali // New J. Phys. – 2011. – Vol. 13, № 2. – P. 025021.

36. Theoretical study of hyperfine interactions and optically detected magnetic resonance spectra by simulation of the C291[NV]–H172 diamond cluster hosting NV center / A. P. Nizovtsev [et al.] // New J. Phys. – 2014. – Vol. 16, № 8. – P. 083014.

37. Luzanov, A. V. About theoretical peculiarities of lowest excitations in modified nanodiamond color centers / A. V. Luzanov // Funct. Mater. – 2017. – Vol. 24.

38. Probing the Dynamics of a Nuclear Spin Bath in Diamond through Time-Resolved Central Spin Magnetometry / A. Dréau [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2014. – Vol. 113, № 13. – P. 137601.

39. Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register / G. Waldherr [et al.] // Nature. – 2014. – Vol. 506, № 7487. – P. 204–207.

40. Enhancing quantum sensing sensitivity by a quantum memory / S. Zaiser [et al.] // Nat. Commun. – 2016. – Vol. 7. – P. 12279.

41. Quantum metrology enhanced by repetitive quantum error correction / Th. Unden [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2016. – Vol. 116, № 23. – P. 230502.

Источник

Информация

Автор

Низовцев А. П. Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, Минск
Пушкарчук А. Л. Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси, Минск Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, Минск
Кутень С. А. Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, Минск
Пушкарчук В. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Минск
Килин С. Я. Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, Минск
Лузанов А. В. Научно-технологический комплекс «Институт монокристаллов» Национальной академии наук Украины, Харьков
Жикол О. А. Научно-технологический комплекс «Институт монокристаллов» Национальной академии наук Украины, Харьков

Страницы

98-110

Год издания

2017

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук

СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–13C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Похожие публикации

Источник

Информация

СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–¹³C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ