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

Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы A_KL, 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 A_KL. 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.

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.