Физики-теоретики из Технологического университета Вены и Папского Католического университета Чили предложили способ «охлаждения» алмазных балок в основное механическое состояние. Для этого ученые предложили поместить на конец балки дефект, способный взаимодействовать с внешними магнитными полями и с колебаниями в решетке алмаза. Метод, по словам авторов, расширяет и обобщает концепцию лазерного охлаждения атомов на более широкий класс систем. В отдаленной перспективе он может обеспечить новый способ контроля над спиновыми кубитами в «алмазных» квантовых компьютерах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Методы охлаждения отдельных атомов до сверхнизких температур основаны на создании таких условий, в которых энергия частиц будет эффективно рассеиваться. К примеру, в доплеровских методах лазерного охлаждения атомы в основном квантовом состоянии переходят в возбужденное состояние, тратя на это часть своей кинетической энергии. Для этого частицы облучают светом с энергией фотонов немного меньше, чем надо для возбуждения атомов. Если атом двигается навстречу свету, то для него квант света испытывает доплеровское смещение и его энергии оказывается достаточно чтобы возбудить частицу. Затем атом возвращается в основное состояние, теряя с излучением часть своей кинетической энергии. 

В более общем случае такие техники называются инженерией квантовых резервуаров (Quantum Reservoir Engineering) — систем с несколькими уровнями энергии. Это методы, позволяющие определенным образом выстроить взаимосвязь между данной системой и окружающей ее средой. В общем случае взаимодействие объекта в квантовом когерентном состоянии (например, «кота Шредингера», находящегося в суперпозиции двух состояний) со средой разрушает эту когерентность. Но специальные среды могут наоборот, обеспечить возникновение специальных квантовых состояний (например, запутать две частицы, находящиеся на большом расстоянии друг от друга). 

Новая работа посвящена созданию такого взаимодействия со средой, которое бы заставило квантовую систему — колеблющуюся алмазную нанобалку, закрепленную с одной стороны, — стремиться перейти к своему основному механическому состоянию. Каждый квантовый осциллятор обладает бесконечно большим количеством уровней энергии с различными частотами. Для целей сверхточных измерений необходимо, чтобы он находился на строго определенном уровне, например, в основном состоянии.

Схема устройства. K. V. Kepesidis et al. / PRB, 2016

Для того чтобы обеспечить такое охлаждение, физики предложили направленно создать на свободном краю алмазной балки дефект. В своих моделях авторы используют отрицательно заряженную кремний-замещенную вакансию: два соседних атома углерода алмаза замещаются на один атом кремния. Такая вакансия обладает своим спином и чувствительна к магнитному полю. Установка, в которой будет наблюдаться «охлаждение» (вымораживание механических степеней свободы), состоит из двух частей: иглы-источника магнитного поля и колеблющейся над ней алмазной балки. 

Взаимосвязь между механическими колебаниями балки и внешней средой устроена следующим образом. Энергия спиновых состояний кремний-замещенной вакансии меняется в сильном градиенте магнитного поля, создаваемого магнитной иглой. Это может привести к перевороту спина за счет поглощения энергии колебаний балки. Затем спин может вернуться в исходное состояние, рассеяв свою энергию в виде фонона — кванта колебаний кристаллической решетки. Авторы сравнивают этот процесс поглощения и испускания квантов колебаний с поглощением и испусканием квантов света охлаждаемыми атомами. По словам физиков, это также должно привести к снижению механической «температуры» балки.

Теоретическое моделирование, по словам ученых, показывает, что охлаждение балки можно реализовать начиная с экспериментально доступных температур — около одного кельвина. Кроме того, используя такой же подход, можно добиться возникновения запутанности между отдельными кремний-замещенными вакансиями на балке. Это может найти применение в управлении кубитами. 

Дефекты в алмазах широко используются физиками для самых разных целей. Так, российскими физиками уже была предложена архитектура квантового вычислителя на базе кремний-замещенных вакансий. S3-дефекты, возникающие при включении в кристаллическую решетку алмаза атомов никеля, позволяют создавать сверхточные термометры. А азотные вакансии использовали для левитации наноалмазов и создания рекордно маленьких радиоприемников.

Автор: Владимир Королёв