Виноградины усилили микроволновое поле и помогли в управлении алмазными кубитами

Физики использовали две виноградины для усиления микроволнового поля. Новый метод доказал свою эффективность в управлении спиновыми кубитами на основе NV-центров в наноалмазах, однако на два — четыре порядка уступил в добротности современным устройствам. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.

Две виноградины можно съесть, а можно поместить в микроволновку и увидеть снопы искр, проскакивающих между ягодами. Впервые явление заметили в 1994-ом году, но объяснили его механизм лишь в 2019-м: так называемые димеры винограда работают как микроволновые резонаторы, где поля сохраняются внутри виноградин благодаря морфологически-зависимым резонансам, которые в свою очередь обусловлены кривизной ягод и их высокой диэлектрической проницаемостью. Сами же наблюдаемые искры представляют собой плазму, которая образуется из металлических ионов, содержащихся в винограде.

Естественно, ученых заинтересовало, можно ли использовать димерные структуры, подобные тем, что есть в винограде, в технике, где требуется усиление микроволновых полей. Микроволновые резонаторы, которые ограничивают поле конечным объемом, используют в спутниках, мазерах и даже в квантовых технологиях — для когерентного управления встроенными квантовыми системами, таким как ультрахолодные молекулы, сверхпроводящие кубиты или спины в твердотельных структурах. В последнем случае магнитное поле микроволнового резонатора взаимодействует с магнитным моментом спиновых структур и позволяет эффективно управлять поведением кубитов.

Физики из Австралии под руководством Али Фаваза (Ali Fawaz) из Университета Маккуори использовали усиленное с помощью виноградных димеров магнитное поле для управления спинами NV-центров в наноалмазах. Выбор ученых пал на спиновые кубиты в алмазах по двум причинам: во-первых, их легко зондировать оптическими методами при комнатной температуре (что облегчает измерения во время эксперимента), а во-вторых, такие кубиты показали свою эффективность в измерении магнитных полей, давления и температуры (то есть обладают большим количеством потенциальных приложений). Для реализации своей задумки физики прикрепили наноалмазы с NV-центрами на кончик многомодового оптического волокна, которое поместили между двумя виноградинами. Микроволновое поле исследователи сгенерировали с помощью антенны, сделанной из медной проволоки диаметром один миллиметр.

Измерения, проведенные с димерами винограда и без них, показали явное усиление микроволнового поля в том случае, когда ягоды участвовали в эксперименте. Физики связали этот результат именно с увеличением напряженности локального магнитного поля, а не с колебаниями мощности лазера или изменением температуры, так как мощность лазера оставалась стабильной в пределах десяти процентов на протяжении эксперимента, а нагревание винограда под действием микроволн, согласно предыдущим исследованиям, наоборот должно несколько уменьшать контраст картины оптически детектируемого магнитного резонанса. Помимо этого, ученые определили оптимальный размер зазора между виноградинами в полмиллиметра при фиксированном положении антенны.

Авторы работы отметили, что хотя димеры винограда имеют хорошие перспективы для технологий микроволнового диапазона, их добротность как резонаторных систем на текущий момент примерно два-четыре порядка меньше, чем у используемых сегодня устройств (114 единиц у винограда против 10⁴-10⁶ у кристаллов сапфира). По словам физиков, решением этой проблемы в будущем могло бы стать включение композитных материалов из диэлектриков внутрь винограда.

Специалисты в области квантовых технологий все чаще применяют биологические материалы в своих исследованиях: например, не так давно мы уже писали о том, как физики превратили желтый флуоресцентный белок в кубит и внедрили его внутрь живых клеток.