Forskere bygger kvantesensorer baseret på enkelte solid-state spins

(Phys.org) – Et team af forskere med medlemmer fra Holland, Australien, og U.K. har udviklet en ny måde at bygge en ekstremt følsom magnetisk sensor på. Som de beskriver i deres papir offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi , deres sensorer er baseret på sansning med et enkelt elektronspin ved hjælp af adaptive målinger i realtid.

Teamets arbejde markerer udviklingen af ​​den første kvantesensor, der er baseret på spin af en enkelt elektron, hvilket i dette tilfælde var fanget i et diamantkvælstof-ledighedscenter. Det er så følsomt, at det er i stand til at måle styrken af ​​et magnetfelt til selve grænserne for det, der beskrives af kvantefysikken.

Problemet med at forsøge at bruge en elektrons spin som en sensor, selvfølgelig, er, at det skal måles, som får kvantetilstanden til at blive påvirket. For at omgå dette problem brugte forskerne en atomart defekt i diamant holdt i et ekstremt koldt miljø - spindet i dens defekt (nitrogen-tomgang) er ikke særlig følsomt over for miljøstøj, fordi det ikke har noget netto nuklear spin. Sensoren fungerer ved at tage flere målinger, når elektronen udsættes for magnetfeltet, på spindefekten, ved at bruge optimale indstillinger baseret på tidligere målinger og derefter justere dem, der kommer efter brug af Bayesiansk statistik - det er baseret på Zeeman-interaktioner, forskningen forklarer - hvad der sker, når en elektron bevæger sig ind i et magnetfelt. De faktiske målinger tages ved at udsætte spindet for mikrobølgestråling, derefter excitere det med en laser og derefter måle de fluorescerende signaler, der produceres. Dataene behandles derefter (på en hylde mikroprocessor, de programmerede til deres formål), og resultaterne bruges til at indstille indstillingerne for den næste måling, og så videre.

Resultatet er en sensor, der er 100 gange mere præcis end tidligere sensorer, selvom holdet anerkender, at for at gøre det nyttigt, de bliver nødt til at finde en måde at gøre det anvendeligt ved stuetemperatur. Hvis de kan det, sensoren kunne tænkes at blive brugt til at afbilde sammensætningen af ​​individuelle molekyler, eller måske som en metode til lagring af qubits i en kvantecomputer.

© 2015 Phys.org