Улучшение квантовых датчиков путем измерения ориентации когерентных спинов внутри алмазной решетки
Ученые из Университета Цукуба продемонстрировали, как можно использовать сверхбыструю спектроскопию для улучшения временного разрешения квантовых датчиков. Измерив ориентацию когерентных спинов внутри алмазной решетки, они показали, что магнитные поля можно измерить даже за очень короткое время. Эта работа может способствовать развитию области измерений сверхвысокой точности, известной как квантовая метрология, а также «спинтронных» квантовых компьютеров, которые работают на основе электронных спинов.
Квантовое зондирование дает возможность чрезвычайно точного мониторинга температуры, а также магнитных и электрических полей с нанометровым разрешением. Наблюдая за тем, как эти свойства влияют на разницу уровней энергии внутри воспринимающей молекулы, могут стать жизнеспособными новые направления в области нанотехнологий и квантовых вычислений . Однако временное разрешение традиционных методов квантового зондирования ранее ограничивалось диапазоном микросекунд из-за ограниченного времени жизни люминесценции. Необходим новый подход, чтобы улучшить квантовое зондирование.
Теперь группа исследователей под руководством Университета Цукуба разработала новый метод измерения магнитного поля в известной системе квантовых датчиков. Азотно-вакансионные (NV) центры представляют собой специфические дефекты в алмазах, в которых два соседних атома углерода заменены атомом азота и вакансией. Спиновое состояние дополнительного электрона в этом месте можно считывать или когерентно манипулировать с помощью световых импульсов.
«Например, отрицательно заряженное спиновое состояние NV можно использовать в качестве квантового магнитометра с полностью оптической системой считывания даже при комнатной температуре », — говорит первый автор Рёске Сакураи. Команда использовала «обратный эффект Коттона-Мутона», чтобы проверить свой метод. Обычный эффект Коттона-Мутона возникает, когда поперечное магнитное поле создает двойное лучепреломление, которое может изменить линейно поляризованный свет на эллиптическую поляризацию. В этом эксперименте ученые поступили наоборот и использовали свет разной поляризации для создания крошечных контролируемых локальных магнитных полей.
«Благодаря нелинейному оптомагнитному квантовому зондированию можно будет измерять локальные магнитные поля или спиновые токи в передовых материалах с высоким пространственным и временным разрешением», — старший автор Мунеаки Хасэ и его коллега Тошу Ан из Японского института передовых наук и технологии, скажем. Команда надеется, что эта работа поможет сделать квантовые спинтронные компьютеры чувствительными к спиновым состояниям, а не только к электрическому заряду , как в современных компьютерах. Исследование, опубликованное в APL Photonics, может также позволить новые эксперименты по наблюдению динамических изменений магнитных полей или, возможно, даже одиночных спинов в реальных условиях работы устройства.
