Алмаз издавна ценится за свою красоту, а также является самым твёрдым из известных природных материалов. Внедрение атомов азота в его кристаллическую решётку позволяет превратить его в замечательный квантовый сенсор. Связанные с этим кристаллические дефекты известны как центры азот-вакансия (NV) и придают таким датчикам беспрецедентную чувствительность к электромагнитным полям и отличное пространственное разрешение [1].
Однако экспериментальные платформы, предназначенные для использования этих датчиков, до сих пор имели ограниченное применение, поскольку скорость и разрешение измерений было трудно оптимизировать одновременно. Теперь две исследовательские группы — одна под руководством Шимона Колковица в Калифорнийском университете в Беркли [2] и другая под руководством Натали де Леон в Принстонском университете [3] — независимо разработали способ управления более чем 100 центрами NV параллельно (рис. 1).
Как работают NV-центры
NV-центр образуется, когда атом азота заменяет атом углерода в кристаллической решётке алмаза и располагается рядом с вакансией атома углерода. Атом азота и вакансия вместе удерживают электроны, и полученный отрицательно заряженный NV-центр имеет электронный спин, равный 1, что позволяет ему служить трёхуровневой квантовой системой [4]. Энергии этих уровней очень чувствительны к крошечным изменениям магнитных и электрических полей, а также к температуре и деформации.
В настоящее время эксперименты по NV-зондированию включают либо изолированный NV-центр, который может фиксировать изменения с высоким пространственным разрешением, либо группу NV-центров, которая имеет лучшую чувствительность, но более низкое разрешение. Различные подходы к использованию NV-центров, таким образом, сталкиваются с компромиссом между скоростью их измерения, пространственным разрешением и уровнем контроля над отдельными NV-центрами [2].
Примеры техник
Одним из примеров является сканирующая NV-микроскопия пробного типа, в которой для выполнения атомно-силовой микроскопии используется алмазный кантилевер размером с микрометр, содержащий один NV-центр [1]. Эта стратегия обеспечивает превосходное пространственное разрешение, поскольку оно определяется расстоянием NV-центр — образец, которое, в свою очередь, определяется глубиной расположения NV-центра относительно поверхности алмаза. Однако метод медленный, и сложно одновременно внедрить несколько NV-датчиков.
Для достижения квантового зондирования с помощью ансамбля NV-центров можно использовать камеру для считывания спинового состояния каждого дефекта. Этот метод обеспечивает функциональность широкопольной визуализации для разрешения микроскопических магнитных, электрических и тепловых свойств образца [5]. Большое количество NV-центров создаёт эффект усиления, который приводит к более высокой чувствительности к полям и скорости измерений по сравнению с одним NV-центром. Однако этот широкопольный подход имеет низкое пространственное разрешение — фактор, который фундаментально ограничен оптическим дифракционным пределом.
Платформа квантового зондирования
Платформа квантового зондирования, разработанная исследовательскими группами Колковица и де Леон, решает эту дилемму. Она предлагает отличное пространственное разрешение и локальный контроль. Но она также позволяет параллельно манипулировать и считывать данные с нескольких NV-центров (рис. 1), создавая передовой протокол квантового зондирования для реализации мультиплексных измерений.
Чтобы разработать свой подход, Колковиц и его коллеги использовали специализированную камеру, которая может обнаруживать одиночные фотоны для считывания заряда и спиновых состояний нескольких NV-центров параллельно. Эта стратегия включает преобразование спиновой информации в информацию о заряде, используя сверхвысокую точность и достоверность измерений с использованием NV-состояний заряда. Этот процесс значительно повышает оптический контраст, скорость измерений и чувствительность по сравнению с традиционными методами [6].
Демонстрация эффективности
Чтобы продемонстрировать эффективность метода, команда Колковица провела параллельные измерения 108 NV-центров. В частности, используя микроволновые импульсы для подготовки подгрупп NV-центров в разных состояниях, исследователи провели одновременные измерения 5778 уникальных коэффициентов корреляции между 108 NV-центрами. Результаты были в отличном соответствии с теоретическими предсказаниями исследователей.
Этот подход особенно подходит для быстрого скрининга NV-центров с определёнными свойствами, такими как желаемая ориентация спина или время когерентности. Он также может быть полезен для проверки наличия ядер углерода-13 с сильной связью с NV-центрами. Эти атомы могут быть полезны для приложений квантовой памяти благодаря их длительному времени когерентности. Его также можно использовать для обнаружения классических парных корреляций между целевыми NV-спинами.
Между тем, команда де Леон провела параллельные измерения магнитного резонанса, осцилляции Раби и спиновой релаксации примерно 100 NV-центров. Для этого они использовали камеры с низким уровнем шума для одновременного обнаружения нескольких NV-центров. Команда также продемонстрировала мультиплексное считывание с низким уровнем шума спиновых состояний NV через преобразование спин-заряд.
Де Леон и его коллеги показали, что шумовые корреляции, управляемые проводом, по которому проходят случайные по фазе переменные токи, могут быть количественно реконструированы с помощью их метода. В частности, исследователи измерили корреляции между шумом магнитного поля, связанным с пятью NV-центрами, которые были расположены в разных положениях относительно провода, и эти корреляции соответствовали их теоретическим расчётам.
Эти два основополагающих исследования, несомненно, откроют захватывающие возможности на переднем крае исследований в области квантового зондирования и метрологии, квантового управления и квантовой информации. Инновационные инструменты зондирования, разработанные командами, проложат путь для современных измерений магнитометрии корреляций между многими NV-центрами, предоставляя информацию о внутренних масштабах длины и временных масштабах коррелированных материалов [7].
Представленный подход может быть даже расширен для исследования экзотических корреляций в твёрдотельных материалах, которые демонстрируют эмерджентные явления, такие как гидродинамический поток электронов в топологических материалах, коррелированные топологические электронные состояния в нетрадиционных сверхпроводниках, спроектированный двумерный магнетизм в скрученных или сложенных ван-дер-ваальсовых сверхрешётках и фрустрированный магнетизм в квантовых спиновых жидкостях.
Физические принципы, лежащие в основе метода, являются общими и могут быть легко применены к квантовым спиновым дефектам за пределами NV-центров, таким как дивакансионные и кремний-вакансионные центры в карбиде кремния и двумерные цветные центры, встроенные в ван-дер-ваальсовы кристаллы [8]. Такие реализации предоставят разнообразные технические платформы для разработки квантовых технологий следующего поколения.