Wetenschappers van de Universiteit van Tsukuba hebben aangetoond hoe ultrasnelle spectroscopie kan worden gebruikt om de temporele resolutie van kwantumsensoren te verbeteren. Door de oriëntatie van coherente spins in een diamantrooster te meten, toonden ze aan dat magnetische velden zelfs over zeer korte tijd kunnen worden gemeten. Dit werk kan de vooruitgang mogelijk maken van het gebied van ultrahoge nauwkeurigheidsmetingen, bekend als kwantummetrologie, evenals "spintronische" kwantumcomputers die werken op basis van elektronenspins.

Quantum sensing biedt de mogelijkheid tot uiterst nauwkeurige bewaking van de temperatuur, evenals van magnetische en elektrische velden, met een resolutie van nanometers. Door te observeren hoe deze eigenschappen de energieniveauverschillen binnen een sensormolecuul beïnvloeden, kunnen nieuwe wegen op het gebied van nanotechnologie en kwantumcomputing levensvatbaar worden. De tijdresolutie van conventionele kwantumdetectiemethoden was echter eerder beperkt tot het bereik van microseconden vanwege de beperkte levensduur van de luminescentie. Er is een nieuwe aanpak nodig om de kwantumdetectie te verfijnen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Tsukuba een nieuwe methode ontwikkeld voor het implementeren van magnetische veldmetingen in een bekend kwantumdetectiesysteem. Stikstof-vacature (NV) centra zijn specifieke defecten in diamanten waarin twee aangrenzende koolstofatomen zijn vervangen door een stikstofatoom en een vacature. De spintoestand van een extra elektron op deze plaats kan worden afgelezen of coherent gemanipuleerd met behulp van lichtpulsen.

"De negatief geladen NV-spintoestand kan bijvoorbeeld worden gebruikt als een kwantummagnetometer met een volledig optisch uitleessysteem, zelfs bij kamertemperatuur", zegt eerste auteur Ryosuke Sakurai. Het team gebruikte een "inverse Cotton-Mouton" -effect om hun methode te testen. Het normale Cotton-Mouton-effect treedt op wanneer een transversaal magnetisch veld dubbele breking creëert, wat lineair gepolariseerd licht kan veranderen in een elliptische polarisatie. In dit experiment deden de wetenschappers het tegenovergestelde en gebruikten ze licht van verschillende polarisaties om kleine gecontroleerde lokale magnetische velden te creëren.

"Met niet-lineaire opto-magnetische kwantumdetectie zal het mogelijk zijn om lokale magnetische velden of spinstromen te meten in geavanceerde materialen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie," senior auteur Muneaki Hase en zijn collega Toshu An van het Japan Advanced Institute of Science en technologie, zeg maar. Het team hoopt dat dit werk zal helpen om kwantum-spintronische computers mogelijk te maken die gevoelige spintoestanden zijn, niet alleen elektrische lading zoals bij huidige computers. Het onderzoek, dat verschijnt in APL Photonics , kunnen ook nieuwe experimenten mogelijk maken om dynamische veranderingen in magnetische velden of mogelijk zelfs enkele spins waar te nemen onder realistische bedrijfsomstandigheden van het apparaat. + Verder verkennen

Stromen op nanoschaal verbeteren het begrip van kwantumverschijnselen