Wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Tsukuba gebruikten het kwantumeffect genaamd 'spin-locking' om de resolutie aanzienlijk te verbeteren bij het uitvoeren van radiofrequente beeldvorming van stikstof-vacature-defecten in diamant. Dit werk kan leiden tot snellere en nauwkeurigere materiaalanalyse, evenals een pad naar praktische kwantumcomputers.

Stikstof-vacature (NV) centra zijn al lang onderzocht op hun potentiële gebruik in kwantumcomputers. Een NV-centrum is een type defect in het rooster van een diamant, waarin twee aangrenzende koolstofatomen zijn vervangen door een stikstofatoom en een leegte. Dit laat een ongepaard elektron achter, die kunnen worden gedetecteerd met behulp van radiofrequentiegolven, omdat de kans op het uitzenden van een foton afhangt van zijn spintoestand. Echter, de ruimtelijke resolutie van radiogolfdetectie met behulp van conventionele radiofrequentietechnieken is niet optimaal gebleven.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben de resolutie tot het uiterste gedreven door gebruik te maken van een techniek die 'spin-locking' wordt genoemd. Microgolfpulsen worden gebruikt om de spin van het elektron in een kwantumsuperpositie van gelijktijdig op en neer te zetten. Vervolgens, een aandrijvend elektromagnetisch veld zorgt ervoor dat de richting van de spin rondgaat, als een wiebelende top. Het eindresultaat is een elektronenspin die afgeschermd is van willekeurige ruis maar sterk gekoppeld is aan de detectieapparatuur. "Spin-locking zorgt voor een hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid van de elektromagnetische veldbeeldvorming, " legt eerste auteur professor Shintaro Nomura uit. Vanwege de hoge dichtheid van NV-centra in de gebruikte diamantmonsters, het collectieve signaal dat ze produceerden, kon met deze methode gemakkelijk worden opgepikt. Hierdoor konden collecties van NV-centra op micrometerschaal worden waargenomen. "De ruimtelijke resolutie die we verkregen met RF-beeldvorming was veel beter dan met vergelijkbare bestaande methoden, " Professor Nomura vervolgt, "en het werd alleen beperkt door de resolutie van de optische microscoop die we gebruikten."

De aanpak die in dit project wordt gedemonstreerd, kan worden toegepast in een breed scala aan toepassingsgebieden, bijvoorbeeld de karakteriseringen van polaire moleculen, polymeren, en eiwitten, evenals de karakterisering van materialen. Het kan ook worden gebruikt in medische toepassingen, bijvoorbeeld als een nieuwe manier om magnetocardiografie uit te voeren.