Атомномасштабное изображение и управление зарядовым состоянием центров NV с помощью сканирующей туннельной микроскопии

Дефекты в алмазе как крошечные квантовые инструменты

Многие будущие квантовые технологии могут опираться на крошечные дефекты в сверхчистых алмазах. Эти дефекты, называемые центрами азот–вакансия (NV), могут выступать как управляемые «спины», которые хранят и обрабатывают квантовую информацию, регистрируют магнитные поля и взаимодействуют с помощью отдельных фотонов. В этой статье рассматривается новый способ фактически увидеть и контролировать отдельные центры NV на атомном уровне — важный шаг к созданию надежных квантовых устройств «снизу вверх».

Почему эти дефекты в алмазе важны

Центры NV образуются, когда один атом углерода в решетке алмаза заменяется атомом азота, а соседняя позиция углерода остаётся вакантной. В подходящем зарядовом состоянии, называемом NV− (NV минус), этот дефект ведёт себя как крайне стабильный квантовый бит, способный работать даже при комнатной температуре. Центры NV уже используются в лабораториях для измерения крошечных магнитных и электрических полей и как элементы для квантовых сетей. Однако учёным не хватало ясной, атом за атомом, картины того, как каждый центр NV расположен в кристалле и как его локальная электронная среда влияет на характеристики. Без этой микроскопической картины улучшение конструкции устройств во многом оставалось делом проб и ошибок.

Использование «окна» из графена для просмотра внутрь алмаза

Чтобы напрямую рассмотреть отдельные центры NV, исследователи обратились к сканирующей туннельной микроскопии (STM) — методу, позволяющему картировать электронную структуру с атомным разрешением. STM обычно требует электрически проводящей поверхности, что создаёт проблему для диэлектрического алмаза. Команда решила её, разместив на поверхности алмаза ультратонкий электрически проводящий слой углерода — монослой графена. Этот графеновый слой действует как прозрачное «окно» для электронов: он достаточно хорошо проводит, чтобы позволить STM работать, и в то же время настолько тонок и «электронно прозрачен», что прибор может чувствовать погребённые под ним центры NV.

Идентификация одиночных дефектов атом за атомом

Работая при низкой температуре и в ультра-чистых условиях, авторы просканировали более 40 отдельных дефектов под покрытием из графена. Измеряя, как менялась электрическая проводимость при приложении напряжения, они выделили устойчивую сигнатуру центров NV−: выраженный пик в проводимости примерно на 0,3 электронволта ниже уровня Ферми (этот уровень задаётся электронами в материале). Карты локальной электронной плотности вокруг каждого дефекта показали двухлопастную структуру, ориентированную в известном кристаллографическом направлении центров NV. Эта структура и энергетическое положение пика позволили команде отличать центры NV− от других распространённых дефектов, таких как изолированные атомы азота (центры P1), которые проявлялись на заметно других энергиях и с отличающимися формами на STM-изображениях.

Переключение заряда одиночного квантового дефекта

Помимо визуализации, наиболее впечатляющим достижением стала возможность менять зарядовое состояние отдельных центров NV по требованию. Исследователи устанавливали STM-зонд над выбранным центром NV−, ненадолго отводили его и затем прикладывали сильное положительное напряжение к алмазу. Это электрическое поле фактически оттягивало электрон от дефекта, переводя NV− в нейтральную форму NV0. После процедуры STM-изображения больше не показывали яркий признак дефекта, а характерный пик проводимости исчезал из спектра — что указывает на изменение зарядового состояния. Важно, что близлежащие дефекты, расположенные всего в несколько десятков нанометров, оставались нетронутыми, что доказывает высокую локальность манипуляции. Этот уровень контроля примерно в десять раз точнее, чем ранее применявшиеся методы настройки заряда в подобных системах.

Создание лучших квантовых устройств снизу вверх

Проще говоря, эта работа демонстрирует и микроскоп, и «регулятор» для отдельных квантовых дефектов в алмазе. Слой графена позволяет STM заглянуть в изолирующий кристалл, чтобы увидеть и охарактеризовать отдельные центры NV, а аккуратно приложенные напряжения дают возможность поочередно переключать их зарядовое состояние. Эти возможности открывают путь к проектированию квантовых устройств с заранее заданным расположением центров NV — плотно там, где необходима сенсория, и выключенными там, где они добавляли бы шум. Следующие шаги могут объединить этот подход с передовыми оптическими методиками, позволяя учёным коррелировать атомномасштабные изображения, электрические «отпечатки» и световое излучение одного и того же дефекта. Вместе эти инструменты приближают нас к созданию практичных твердофазных кубитов с точностью, которой уже достигла современная электроника.

Цитирование: Raghavan, A., Bae, S., Delegan, N. et al. Atomic-scale imaging and charge state manipulation of NV centers by scanning tunneling microscopy. Nat Commun 17, 1617 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68323-5

Ключевые слова: центры азот-вакансия, алмазные кубиты, сканирующая туннельная микроскопия, интерфейс с графеном, квантовая сенсинг