Nitrogen Vacancy Centers in Hexagonal Diamond Exhibit Long Coherence Times

Imagina el mundo de las computadoras diminutas e invisibles donde la información no se almacena en bits de 0 y 1, sino en el giro de un solo electrón, como un trompo que puede apuntar hacia arriba, hacia abajo o ambos a la vez. Este es el reino de la computación cuántica, un campo que promete resolver problemas demasiado complejos para las supercomputadoras actuales. Pero hay un inconveniente: estos trompos cuánticos son increíblemente frágiles. El más mínimo susurro de calor o un diminuto bulto magnético del entorno puede derribarlos, desordenando la información antes de que pueda ser utilizada. Los científicos han estado buscando el "trompo" perfecto para construir estas computadoras, y durante años, han estado observando un defecto específico en el diamante regular, llamado centro Nitrógeno-Vacante (NV). Piensa en este defecto como un pequeño faro brillante dentro del diamante que puede encenderse y apagarse con luz y controlarse con microondas. La gran pregunta siempre ha sido: ¿podemos encontrar una versión de este faro que sea aún más estable, manteniendo su giro por más tiempo sin caerse?

Este artículo profundiza en un primo raro y exótico del diamante regular llamado lonsdaleíta, o diamante hexagonal. Mientras que el diamante regular está construido como una pila perfecta de cubos, la lonsdaleíta está apilada en un patrón hexagonal, como un panal de abeja. Los investigadores utilizaron potentes simulaciones por computadora para ver qué sucede cuando se crea ese mismo defecto de "faro" dentro de este panal hexagonal. Descubrieron que el diamante hexagonal ofrece un giro especial: el defecto puede situarse en dos posiciones diferentes. Una posición se parece mucho al antiguo y familiar defecto del diamante, pero la otra posición es ligeramente "aplastada" o asimétrica. Sorprendentemente, esta versión aplastada resulta ser una campeona en mantener su giro. Las simulaciones sugieren que este defecto asimétrico en el diamante hexagonal puede mantener viva su información cuántica durante aproximadamente 3.73 milisegundos a campo magnético cero. Eso puede parecer poco, pero en el mundo cuántico, es un gran salto: aproximadamente cuatro veces más largo que el mejor rendimiento visto en el diamante cúbico regular. Los autores sugieren que estos defectos "aplastados" podrían ser el ingrediente secreto para construir sensores y computadoras cuánticas más robustas, siempre que podamos cultivar estos diamantes hexagonales en el laboratorio y encontrar estos defectos específicos.

La historia del diamante aplastado

Para entender por qué esto es importante, primero miremos el escenario donde se desarrolla este drama: el diamante. Conoces los diamantes como gemas duras y claras, pero a nivel atómico, son solo una red de átomos de carbono tomados de la mano. A veces, la naturaleza comete un error: falta un átomo de carbono (una vacante) y un átulo de nitrógeno se cuela para ocupar su lugar. Este par es el centro Nitrógeno-Vacante (NV). En un diamante cúbico regular, este defecto es como un trompo perfectamente simétrico. Es bueno, pero tiene una debilidad: si el campo magnético a su alrededor se mueve aunque sea un poquito, el trompo se confunde y pierde su giro rápidamente.

Los investigadores en este artículo se hicieron una pregunta sencilla: ¿Qué pasaría si pusiéramos este mismo defecto en un tipo diferente de diamante? En lugar de la pila cúbica habitual, observaron la lonsdaleíta, una versión hexagonal del diamante que se encuentra naturalmente en meteoritos y que recientemente ha sido fabricada en laboratorios. En esta estructura de panal hexagonal, el defecto NV puede situarse de dos maneras distintas. Los autores los llaman configuraciones "AA" y "AB".

La configuración AA es la "imitadora". Se sitúa en un lugar que mantiene la simetría perfecta del diamante regular. Como mostraron las simulaciones, esta se comporta casi exactamente como el antiguo defecto de diamante. Es confiable, pero no ofrece ningún superpoder nuevo.

La configuración AB, sin embargo, es la "rebelde". Debido a la forma en que está construido el panal hexagonal, este defecto es comprimido en una forma que rompe la simetría perfecta. Es como tomar un trompo perfectamente redondo y presionarlo suavemente hasta que se vuelve ligeramente ovalado. Podrías pensar que romper la simetría empeoraría las cosas, pero aquí está el truco de magia: esta forma "aplastada" en realidad protege mejor el giro.

La magia de la "transición de reloj"

¿Por qué ayuda estar aplastado? El artículo explica esto usando un concepto llamado "Desdoblamiento de Campo Cero" (ZFS, por sus siglas en inglés). Imagina los niveles de energía del trompo como peldaños en una escalera. En un diamante perfecto y simétrico, dos de estos peldaños están exactamente a la misma altura. Cuando un campo magnético se mueve, empuja al trompo fuera de estos peldaños fácilmente.

Pero en el defecto AB aplastado, esa simetría se rompe. Los dos peldaños ya no están a la misma altura; están separados por una cantidad específica. Los investigadores descubrieron que esta separación crea un "punto ideal" especial a campo magnético cero. En este punto, el trompo se vuelve increíblemente obstinado contra el ruido magnético. Es como un reloj que mantiene el tiempo perfecto incluso si sacudes la mesa en la que se encuentra. Los autores calcularon que este efecto aumenta el tiempo que el giro permanece coherente (el "tiempo de coherencia", o $T_2$) a aproximadamente 3.73 milisegundos.

Para ponerlo en perspectiva, el diamante cúbico regular (y la versión AA en el diamante hexagonal) solo logra alrededor de 0.85 a 0.9 milisegundos bajo condiciones similares. La versión AB aplastada es aproximadamente cuatro veces mejor.

Lo que mostraron las simulaciones

El equipo no solo lo supuso; realizaron simulaciones detalladas por computadora utilizando un método llamado "cálculos de primeros principios". Esto significa que partieron de las leyes básicas de la física y dejaron que la computadora descubriera cómo se comportan los átomos, sin necesidad de adivinar las respuestas.

Esto es lo que revelaron sus experimentos digitales:

• Dos caras del diamante hexagonal: Confirmaron que tanto la configuración AA como la AB pueden existir y ser estables.
• La estructura electrónica: La versión AA se parece al defecto del diamante cúbico en términos de sus niveles de energía. La versión AB, sin embargo, tiene sus niveles de energía divididos debido a la ruptura de la simetría.
• El espectáculo de luces: Los investigadores también simularon de qué color brillarían estos defectos cuando se golpean con un láser. Descubrieron que las versiones AA y AB brillan a energías (colores) ligeramente diferentes. La versión AB brilla a una energía de "Línea de Fonón Cero" de 1.48 eV, mientras que la versión AA brilla a 1.73 eV. Esta diferencia es como una huella dactilar; si los científicos pueden fabricar estos diamantes en un laboratorio, pueden saber qué defecto han encontrado simplemente mirando el color de la luz que emite.
• El campeón de la coherencia: El resultado más emocionante fue el tiempo de vida del giro. La configuración AB alcanzó un tiempo de coherencia máximo de 3.73 ms, mientras que la versión AA y el diamante cúbico rondaron los 0.9 ms y 0.85 ms, respectivamente.

Por qué esto importa (y lo que aún no significa)

El artículo sugiere que la configuración AB en el diamante hexagonal es un candidato muy prometedor para la tecnología cuántica. Ofrece una combinación única: su estructura electrónica es lo suficientemente similar a la del bien comprendido diamante cúbico como para ser útil, pero la ruptura de la simetría le otorga un enorme impulso de estabilidad.

Sin embargo, es importante recordar lo que este artículo no dice. Los autores no cultivaron estos diamantes en un laboratorio ni midieron estos giros con una máquina real. Todo lo presentado aquí proviene de simulaciones por computadora. Han predicho que, si se pueden fabricar estos defectos, se comportarán de esta manera. También señalaron que, si bien el defecto AB es excelente para la estabilidad, requiere una disposición asimétrica específica que podría ser difícil de controlar en un proceso de fabricación del mundo real.

Los investigadores también compararon sus hallazgos con una idea diferente: ¿qué pasaría si simplemente aplastáramos un diamante cúbico regular con estrés? También simularon esto y descubrieron que, si bien se puede obtener cierta mejora, la estructura hexagonal natural de la lonsdaleíta lo hace mejor, sin necesidad de aplicar enormes fuerzas externas.

Al final, este artículo pinta la imagen de una nueva frontera. Sugiere que al mirar más allá del familiar diamante cúbico hacia su primo hexagonal, y al abrazar el defecto AB "aplastado", podríamos encontrar la clave para construir computadoras cuánticas que sean menos frágiles y más potentes. El siguiente paso para el mundo real es ver si podemos cultivar estos diamantes hexagonales y encontrar estos defectos brillantes y súper estables en el laboratorio.