Milyen folyamatok korlátozzák a kvantumszenzorok teljesítményét, és mely mágneses tértartományban működhetnek a leghatékonyabban?

A kvantumszenzorok érzékenységét alapvetően meghatározza, hogy mennyi ideig képesek megőrizni kvantumállapotukat. Tárkányi András és Ivády Viktor átfogó elméleti vizsgálata feltárta a réteges szerkezetű bór-nitrid egyik legígéretesebb kvantumszenzorának kvantumállapotvesztési mechanizmusait. Illetve kijelölte az optimális működési tartományt a jövő kvantumérzékelői számára.

Tárkányi András és Ivády Viktor, az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézetének kutatói. Munkájukban a méhsejt szerkezetű, hexagonális bór-nitridben (hBN) található negatívan töltött bórvakancia-centrum (VB centrum) kvantumos tulajdonságait vizsgálták. Ez az atomi méretű rácshiba az elmúlt években a kvantumérzékelés egyik legígéretesebb platformjává vált. Mivel a befogadó hBN kétdimenziós szerkezete lehetővé teszi a rendkívül nagy térbeli felbontású méréseket és a különböző nanotechnológiai rendszerekbe történő integrációt.

Bár a bórvakancia-centrumokat már sikeresen alkalmazták mágneses tér, hőmérséklet, nyomás vagy mechanikai feszültség mérésére, a gyakorlati felhasználást alapvetően korlátozza a kvantumállapotok gyors elvesztése. Az úgynevezett dekoherencia. A kutatók célja annak megértése volt, hogy pontosan milyen fizikai folyamatok okozzák ezt a jelenséget.

A kutatás során a szerzők korszerű kvantummechanikai szimulációkat alkalmaztak.

A hBN-ben létrehozható VB-centrum környezetét több ezer kölcsönható spin figyelembevételével modellezték. A számítások a 0 és 3 tesla közötti mágneses tértartomány teljes vizsgálatát lehetővé tették, így minden korábbinál részletesebb képet adtak a rendszer viselkedéséről. A kutatás egyik legfontosabb eredménye, hogy a szerzők öt különböző mágneses tértartományt azonosítottak, amelyekben eltérő fizikai mechanizmusok dominálják a kvantumos információ elvesztésének jelenségét. Kimutatták, hogy kis mágneses tereknél elsősorban a bór- és nitrogénatommagok mágneses zaja rontja a kvantumállapot stabilitását, míg nagyobb tereknél más kölcsönhatások válnak meghatározóvá.

A vizsgálatok alapján különösen kedvezőnek bizonyult a 180 és 350 millitesla közötti mágneses tértartomány, ahol a kvantumállapot élettartama nagyságrendekkel megnőhet. A kutatók számításai szerint ebben a tartományban a koherenciaidő akár 1–20 mikroszekundum is lehet. Ez akár 100-szorosan is meghaladja az alacsony mágneses tereken jellemző, mindössze néhány száz nanoszekundum értékeket.

A tanulmány arra is rámutatott, hogy a kvantumállapotok stabilitását nem csupán az alkalmazott mágneses tér, hanem az anyag izotópösszetétele is jelentősen befolyásolja. A szerzők szerint a kémiailag tiszta, izotópdúsított hBN minták alkalmazása kulcsszerepet játszhat a jövő nagy teljesítményű kvantumszenzorainak fejlesztésében.

Az eredmények nemcsak a bórvakancia-centrum működésének mélyebb megértéséhez járulnak hozzá.

Gyakorlati útmutatást is adnak a kvantumérzékelők fejlesztőinek. A kutatás segíthet olyan új mérési eljárások és koherenciavédelmi protokollok kidolgozásában, amelyek a jövőben érzékenyebb és megbízhatóbb kvantumeszközök megvalósítását teszik lehetővé.