Robust electronic-nuclear NV-13C spin systems in the diamond for quantum technologies

Abstract

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]Н252. 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.