Точность огранки алмаза: разработка алмазных датчиков для нейтронных экспериментов и квантовой информатики

Группа ядерной физики в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне ищет доказательства новой физики в нейтронах, электрически нейтральных частицах, которые удерживают атомные ядра вместе с помощью взаимодействия, называемого сильной силой. Преподаватели и исследователи участвуют в эксперименте nEDM в Национальной лаборатории Ок-Ридж, который будет измерять электрический дипольный момент нейтрона - свойство, которое позволяет нейтронам взаимодействовать с электрическими полями, несмотря на их нейтральность. Точные измерения будут ограничивать теории, расширяющие текущую стандартную модель физики элементарных частиц. Чтобы добиться этого, исследователи должны точно измерить тонкие изменения в очень сильных электрических полях.

Профессор физики Дуглас Бек получил грант Министерства энергетики на разработку датчиков на основе алмаза с вакансиями азота, материала, квантовые свойства которого при низких температурах делают его необычайно чувствительным к электрическим полям. Его исследовательская группа показала, что этот материал может измерять сильные электрические поля, а награда позволит исследователям создать датчики, готовые к использованию в эксперименте nEDM. Кроме того, квантовые свойства материала делают его многообещающим кандидатом для квантовой информатики. Исследователи также изучат эти потенциальные применения.

Бек объяснил, что химически добавленные азотные вакансии или NV-примеси придают алмазу необычную чувствительность к электрическому полю. «Эти примеси представляют собой области с дополнительным атомом азота и дыркой (или вакансией) там, где обычно находятся атомы углерода», — сказал он. «Когда материал охлаждается до температуры менее 20 градусов выше абсолютного нуля, примеси образуют квантовую систему, которая реагирует на электрические поля. Это довольно необычная характеристика, поскольку не многие системы реагируют на электрические поля, и это делает алмаз NV особенным».

NV-систему можно сделать еще более чувствительной, если ее подготовить в определенном квантовом состоянии. Вместо того, чтобы позволить системе оставаться в состоянии с самой низкой энергией после ее охлаждения, исследователи формируют квантовую суперпозицию состояний с самой низкой и следующей наименьшей энергией, называемую темным состоянием, названным так потому, что оно не взаимодействует со светом. «В некотором смысле название предполагает, что он невосприимчив к взаимодействию с окружающей средой», — сказал Бек. «Поскольку он долгоживущий, он имеет очень четко выраженную энергию, которая очень точно говорит нам, насколько велико электрическое поле».

Группа Бека продемонстрировала, что это явление позволяет алмазу NV измерять сильные электрические поля, а награда позволит исследователям разработать на его основе надежные и надежные датчики. Это потребует упаковки датчиков в блоки, которые легко подключаются к лазерам, используемым для их управления, и минимизируют влияние фонового шума. По словам Бека, они также исследуют квантовую технику, называемую динамической развязкой, которая позволит им эффективно обратить вспять эффекты экспериментальных несовершенств. Это сделает и без того точные измерения электрического поля еще более точными.

Другая цель исследования — изучить предложения по использованию NV-алмаза в квантовой информатике. Длительное время жизни темного состояния и устойчивость к шуму окружающей среды делают его многообещающей платформой для квантового восприятия и квантовой памяти. Многие такие приложения зависят от помещения квантовых систем в сжатые состояния, которые обладают минимальной неопределенностью, допускаемой принципом Гейзенберга. Было несколько предложений по созданию сжатых состояний в алмазе Невады, и группа Бека изучит их осуществимость.

Эта работа будет поддержана 650 000 долларов США в течение трех лет, выделенными инициативой Quantum Horizons в рамках программы ядерной физики Министерства энергетики.

Предоставлено Инженерным колледжем Грейнджера Университета Иллинойса.