Elektromagnetisches Rauschen stellt ein großes Problem für die Kommunikation dar und veranlasst Mobilfunkanbieter, stark in Technologien zu investieren, um es zu überwinden. Aber für ein Team von Wissenschaftlern, die das atomare Reich erforschen, könnte die Messung winziger Schwankungen im Rauschen der Schlüssel zur Entdeckung sein.
„Lärm wird normalerweise als lästig angesehen, aber Physiker können viele Dinge lernen, indem sie Lärm untersuchen“, sagte Nathalie de Leon, außerordentliche Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Princeton University. „Indem sie das Rauschen in einem Material messen, können sie seine Zusammensetzung, seine Temperatur, wie Elektronen fließen und miteinander interagieren und wie Spins Magnete bilden, lernen. Es ist im Allgemeinen schwierig, etwas darüber zu messen, wie sich das Rauschen im Raum ändert oder Zeit.“
Unter Verwendung speziell entworfener Diamanten hat ein Forscherteam in Princeton und der University of Wisconsin-Madison eine Technik entwickelt, um das Rauschen in einem Material zu messen, indem es Korrelationen untersucht, und sie können diese Informationen verwenden, um die räumliche Struktur und die zeitlich variierende Natur des zu lernen Lärm. Diese Technik, die auf der Verfolgung winziger Schwankungen in Magnetfeldern beruht, stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Methoden dar, bei denen viele separate Messungen gemittelt wurden.
De Leon ist führend in der Herstellung und Verwendung von hochgradig kontrollierten Diamantstrukturen, die als Stickstoff-Leerstellen (NV)-Zentren bezeichnet werden. Diese NV-Zentren sind Modifikationen eines Diamantgitters aus Kohlenstoffatomen, in denen ein Kohlenstoff durch ein Stickstoffatom ersetzt ist und daneben ein leerer Raum oder eine Leerstelle in der Molekülstruktur ist. Diamanten mit NV-Zentren sind eines der wenigen Werkzeuge, mit denen Änderungen in Magnetfeldern in der Größenordnung und Geschwindigkeit gemessen werden können, die für kritische Experimente in der Quantentechnologie und der Physik der kondensierten Materie erforderlich sind.
Während ein einzelnes NV-Zentrum es Wissenschaftlern ermöglichte, detaillierte Messwerte von Magnetfeldern zu nehmen, konnte de Leons Team erst, als sie eine Methode ausarbeiteten, um mehrere NV-Zentren gleichzeitig zu nutzen, die räumliche Struktur von Rauschen in einem Material messen. Dies öffnet die Tür zum Verständnis der Eigenschaften von Materialien mit bizarrem Quantenverhalten, die bisher nur theoretisch analysiert wurden, sagte de Leon, der leitende Autor von a Papier Beschreibung der Technik, die online am 22. Dezember in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft.
„Es ist eine grundlegend neue Technik“, sagte de Leon. „Aus theoretischer Sicht ist klar, dass es sehr mächtig wäre, dies zu tun. Das Publikum, von dem ich denke, dass es am meisten von dieser Arbeit begeistert ist, sind Theoretiker der kondensierten Materie, jetzt, da es diese ganze Welt von Phänomenen gibt, zu denen sie in der Lage sein könnten anders charakterisieren.“
Eines dieser Phänomene ist eine Quanten-Spin-Flüssigkeit, ein Material, das erstmals vor fast 50 Jahren in Theorien erforscht wurde, aber experimentell schwer zu charakterisieren war. In einer Quanten-Spin-Flüssigkeit sind Elektronen ständig in Bewegung, im Gegensatz zur Festkörperstabilität, die ein typisches magnetisches Material charakterisiert, wenn es auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt wird.
„Das Herausfordernde an einer Quanten-Spin-Flüssigkeit ist, dass es per Definition keine statische magnetische Ordnung gibt, also kann man nicht einfach ein Magnetfeld abbilden“, so wie man es bei einer anderen Art von Material tun würde, sagte de Leon. „Bis jetzt gab es im Wesentlichen keine Möglichkeit, diese Zweipunkt-Magnetfeldkorrelatoren direkt zu messen, und stattdessen versuchten die Leute, komplizierte Proxys für diese Messung zu finden.“
Durch die gleichzeitige Messung von Magnetfeldern an mehreren Punkten mit Diamantsensoren können Forscher erkennen, wie sich Elektronen und ihre Spins in einem Material über Raum und Zeit bewegen. Bei der Entwicklung der neuen Methode wendete das Team kalibrierte Laserpulse auf einen Diamanten an, der NV-Zentren enthielt, und detektierte dann zwei Spitzen von Photonenzählungen von einem Paar NV-Zentren – eine Anzeige der Elektronenspins in jedem Zentrum zum gleichen Zeitpunkt. Frühere Techniken hätten einen Durchschnitt dieser Messungen genommen, wertvolle Informationen verworfen und es unmöglich gemacht, das Eigenrauschen des Diamanten und seiner Umgebung von den Magnetfeldsignalen zu unterscheiden, die von einem interessierenden Material erzeugt werden.
„Einer dieser beiden Spikes ist ein Signal, das wir anwenden, der andere ist ein Spike aus der lokalen Umgebung, und es gibt keine Möglichkeit, den Unterschied zu erkennen“, sagte der Co-Autor der Studie, Shimon Kolkowitz, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Wisconsin – Madison. „Aber wenn wir uns die Korrelationen ansehen, stammt die eine, die korreliert, von dem Signal, das wir anwenden, und die andere nicht. Und wir können das messen, was Menschen vorher nicht messen konnten.“
Kolkowitz und de Leon trafen sich als Ph.D. Studenten an der Harvard University und haben seitdem regelmäßig Kontakt. Ihre Forschungszusammenarbeit entstand früh in der COVID-19-Pandemie, als sich die Laborforschung verlangsamte, aber die Zusammenarbeit über große Entfernungen attraktiver wurde, da die meisten Interaktionen über Zoom stattfanden, sagte de Leon.
Jared Rovny, Hauptautor der Studie und Postdoktorand in de Leons Gruppe, leitete sowohl die theoretische als auch die experimentelle Arbeit an der neuen Methode. Die Beiträge von Kolkowitz und seinem Team waren entscheidend für die Gestaltung der Experimente und das Verständnis der Daten, sagte de Leon. Zu den Co-Autoren des Papiers gehörten auch Ahmed Abdalla und Laura Futamura, die 2021 bzw. 2022 Sommerforschungen mit de Leons Team als Praktikanten im Programm Quantum Undergraduate Research at IBM and Princeton (QURIP) durchführten, das de Leon 2019 mitbegründete.
Der Artikel „Kovarianzmagnetometrie im Nanomaßstab mit Diamant-Quantensensoren“ wurde am 22. Dezember online veröffentlicht Wissenschaft.
Mehr Informationen:
Jared Rovny et al., Kovarianzmagnetometrie im Nanomaßstab mit Diamant-Quantensensoren, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.ade9858