Spindende diamanter for kvantepræcision

Vi lever i en støjende verden. Interferens fra lys, vibrationer, elektromagnetisk stråling og lyd kan være irriterende; det roder med vores søvn og kan forstyrre vores elektriske udstyr.

For fysikere, der studerer det meget små og det meget fjerne, støj kan være en deal-breaker. For at reducere det, de skal ofte finde på store, dyre løsninger.

De skulle bygge verdens største og kraftigste partikelaccelerator for at se det lille signal fra Higgs Boson-partiklen, og verdens længste og mest følsomme lineal til at se gravitationsbølger. Forskere er nødt til at sende teleskoper ud i rummet for at undgå støjen fra vores atmosfære, hvis de skal se detaljerne i de fjerneste galakser.

Men løsningen er ikke altid i så stor skala. I ny forskning offentliggjort i Naturfysik , en gruppe fysikere fra University of Melbourne har fundet en måde at reducere den støj, som kvantesensorer oplever, blot ved at dreje dem.

Kvantesensorer er meget følsomme, og blandt deres mange lovende applikationer indvarsler de en ny æra af MRI (Magnetic Resonance Imaging), der synliggør de små detaljer inde i celler og proteiner.

En særlig lovende kvantesensor er nitrogen-vacancy-centret (NV), findes i diamanter. Dette er en fejl på atomniveau, hvor et nitrogenatom erstatter et carbonatom, at fange elektroner i en kvantetilstand.

"En elektron er i bund og grund en stangmagnet, " siger Dr Alexander Wood fra School of Physics ved University of Melbourne, som var førsteforfatter på Nature Physics papiret.

"Den har en nordpol og en sydpol. Og hvis vi sætter en elektron i et magnetfelt, det vil dreje meget hurtigt."

Men elektronerne i NV-centre er ikke de eneste magneter i en diamant.

"I en diamant har du to slags kulstof. De fleste er det, der kaldes kulstof-12, hvilket er ret kedeligt, " siger Dr Wood.

"Imidlertid, omkring 1 ud af 100 kulstofatomer er et kulstof-13. Den har en ekstra neutron.

"Som elektroner, kernen i hvert af disse carbon-13 atomer er som en lille stangmagnet. Og, som en stangmagnet, hvis du sætter en kulstof-13 kerne i et magnetfelt, den snurrer."

Kvantetilstande er afhængige af en egenskab kaldet kohærens, som er følsom over for miljøstøj, der kan føre til tab af kvantetilstanden, kendt som dephasing. Lektor Andy Martin, der ledede det australske forskningsråd finansierede undersøgelse, siger, at det er svært at opretholde kvantetilstanden for NV-centre.

"En kvantetilstand er skrøbelig. Den er skrøbelig for især magnetfeltet. Hvis du har fluktuationer i magnetfeltet, vil den defase kvantesensoren."

Vedligeholdelse af kvantetilstanden er nøglen til at bruge NV-systemer som kvantesensorer i miljøer i nanoskala

Professor Hollenberg, som leder en forskningsgruppe fra University of Melbourne om kvantesensorer, sammenligner kvantetilstanden med en boble.

"Hvis dit miljø er stikkende, så varer kvantetilstanden ikke ret længe. Men hvis dit miljø er mindre stikkende, den boble vil vare meget længere, " han siger.

"Dette er princippet, hvorved vi kan fornemme miljøet omkring NV-centret i ekstremt små skalaer og høj følsomhed."

I undersøgelsen, forskere søgte at reducere effekten af ​​dephasing ved hurtigt at rotere hele systemet.

"Carbon-13-atomernes roterende atomstangmagneter skaber prikker i magnetfeltet - de interagerer med NV-centrene, påvirker dets sammenhæng og evne til at sanse, siger lektor Martin.

Minimering af støjen fra kulstof-13 øger følsomheden af ​​kvantesensorer, som skulle føre til større indsigt i nanoskalaen verden.

Dette kan opnås ved at bruge syntetisk konstruerede og dyre isotopisk rene kulstof-12 diamanter, eller ved at stoppe kulstof-13-atomerne i at spinde. Problemet med at stoppe kulstof-13-spinningen er, at NV-centerelektronerne også ville stoppe med at spinde, og denne spinning er afgørende for, hvordan disse kvantesensorer fungerer.

Løsningen er at narre NV-centret til at tro, at atomstangmagneterne for kulstof-13-atomerne er holdt op med at dreje.

For at gøre dette skal holdet arbejder i professor Robert Scholtens laboratorium, brugt en teknik fra klassisk fysik. Det involverer at rotere hele diamanten ved høje hastigheder.

"I det magnetiske felt, som vi typisk bruger, atomare stangmagneter i NV-centrene vil dreje omkring 2,8 milliarder gange i sekundet, hvorimod kulstof-13 vil dreje omkring 5, 000 gange i sekundet, " siger Dr Wood.

"Fordi det allerede snurrer så hurtigt, hvis vi roterer hele diamanten ved 5, 000 gange i sekundet, NV-centrets atomstangmagnet er ikke påvirket.

"Men kulstof-13-atomerne er påvirket. Og fordi NV-centret og kulstof-13 nu er i samme referenceramme, roterer ved 5, 000 gange i sekundet i samme retning som kulstofatomerne spinder, det betyder, at NV-centret ser kulstof-13 som i det væsentlige stationært.

"Så du kan effektivt annullere de magnetiske felter fra carbon-13, som disse sensorer ser, ved at placere din sensor og carbon-13 inde i den samme roterende ramme."

"Det, vi har her, er et miljø, som når du ikke roterer, er ret spidst. Og når du roterer det, det bliver mindre spidst, forlængelse af kvantetilstandens levetid, siger lektor Martin.

Baseret på dette ville vi antage, at den optimale præcision ville opstå, når diamanten snurrede med nøjagtig samme hastighed som carbon-13. Men forskerne fandt ud af, at dette ikke var tilfældet.

"Du ville forvente, at sensorens kvantitet vil gå op og op, indtil kulstof-13-spindene er frosset i den roterende ramme, men når vi kommer tættere på den frosne ramme, sammenhængen begynder at falde, fordi kulstof-13'erne begynder at interagere med hinanden, tilføje støj tilbage i systemet, " siger Dr Wood.

Forskerne har bestemt det pseudofelt, der giver den største reduktion af støj fra cabon-13-spindene.

"Det søde sted ser ud til at være i et totalt magnetfelt - som er kombinationen af ​​det normale felt og det roterende rammepseudofelt - af en Gauss, hvilket svarer til, at sensoren ser kulstoffet spinde omkring 1000 gange i sekundet, " siger Dr Wood.

"Gauss er en måling af magnetisk fluxtæthed, eller magnetisk feltstyrke. For eksempel, en køleskabsmagnet er omkring 100 Gauss, og Jordens magnetiske feltstyrke er omkring en halv Gauss."

Selvom denne teknik snart kan bruges til at forbedre præcisionen af ​​kvante-MR-scannere, Lektor Martin siger, at det også kan hjælpe at besvare nogle grundlæggende spørgsmål i fysik.

"For eksempel, kvantesensorer kunne hjælpe med at besvare spørgsmål som; hvornår bliver en væske til en væske?" siger han.

"Tag et vandmolekyle, det er ikke en væske. Tag to vandmolekyler, det er heller ikke en væske. På et tidspunkt bliver det en væske, og det har alt at gøre med den skala, du sonderer på. Og det kan du kun se på, hvis du kan sondere ned på de skalaer.

"Nu har du disse sensorer baseret på nitrogen-defekter i diamanter. De behøver ikke at være en stor diamant som en diamantring, de kan være nanokrystaller. De kan være ekstremt små.

"Så du begynder at have disse enheder, der kan måle translationelle og, nu, rotationsbevægelse. Det giver dig en sonde på disse meget små skalaer, ikke kun i form af magnetiske felter, men i form af translations- og rotationsbevægelse."