Onderzoekers hebben ontdekt dat dichte ensembles van kwantumspins kunnen worden gemaakt in diamant met hoge resolutie met behulp van een elektronenmicroscopen, de weg vrijmaken voor verbeterde sensoren en middelen voor kwantumtechnologieën.

Diamanten zijn gemaakt van koolstofatomen in een kristallijne structuur, maar als een koolstofatoom wordt vervangen door een ander type atoom, dit zal resulteren in een roosterdefect. Een voorbeeld van zo'n defect is de Stikstof-Vacature (NV), waarbij één koolstofatoom is vervangen door een stikstofatoom, en zijn buurman ontbreekt (een lege ruimte blijft op zijn plaats).

Als dit defect wordt verlicht met een groene laser, als reactie zal het rood licht (fluoresceren) uitzenden met een interessant kenmerk:de intensiteit varieert afhankelijk van de magnetische eigenschappen in de omgeving. Deze unieke eigenschap maakt het NV-centrum bijzonder nuttig voor het meten van magnetische velden, magnetische beeldvorming (MRI), en kwantumcomputers en informatie.

Om optimale magnetische detectoren te produceren, de dichtheid van deze defecten moet worden verhoogd zonder het omgevingsgeluid te vergroten en de diamanteigenschappen te beschadigen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de onderzoeksgroep van Nir Bar-Gill aan het Racah Institute of Physics en Department of Applied Physics van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, in samenwerking met Prof. Eyal Buks van het Technion - Israel Institute of Technology, hebben aangetoond dat ultrahoge dichtheden van NV-centra kunnen worden verkregen door een eenvoudig proces waarbij elektronenstralen worden gebruikt om koolstofatomen uit het rooster te schoppen.

Dit werk, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , is een voortzetting van eerder werk in het veld, en toont een verbetering aan in de dichtheden van NV-centra in een verscheidenheid aan diamantsoorten. De bestraling wordt uitgevoerd met behulp van een elektronenstraalmicroscoop (Transmission Electron Microscope of TEM), die speciaal voor dit doel is omgebouwd. De beschikbaarheid van dit apparaat in nanotechnologiecentra in veel universiteiten in Israël en over de hele wereld maakt dit proces met hoge ruimtelijke nauwkeurigheid mogelijk, snel en eenvoudig.

De verbeterde dichtheden van de verkregen NV-kleurcentra, met behoud van hun unieke kwantumeigenschappen, een voorbode zijn van toekomstige verbeteringen in de gevoeligheid van magnetische diamantmetingen, evenals veelbelovende richtingen in de studie van vastestoffysica en kwantuminformatietheorie.

Stikstof Vacature (NV) kleurcentra vertonen opmerkelijke en unieke eigenschappen, inclusief lange coherentietijden bij kamertemperatuur (~ ms), optische initialisatie en uitlezing, en coherente microgolfcontrole.

"Dit werk is een belangrijke opstap naar het gebruik van NV-centra in diamant als bronnen voor kwantumtechnologieën, zoals verbeterde detectie, kwantumsimulatie en mogelijk kwantuminformatieverwerking", zei Bar-Gill, een assistent-professor in het Dept. of Applied Physics en Racah Institute of Physics aan de Hebreeuwse Universiteit, waar hij de Quantum Information oprichtte, Simulatie- en detectielab.

"Het bijzondere aan onze aanpak is dat het heel eenvoudig en duidelijk is, " zei onderzoeker Dima Farfurnik van de Hebreeuwse Universiteit. "Je krijgt voldoende hoge NV-concentraties die geschikt zijn voor veel toepassingen met een eenvoudige procedure die in-house kan worden uitgevoerd."