Röntgenbild eines vibrierenden Diamanten eröffnet neue Wege für die Quantensensorik

Wenn es um Materialien für Quantensensoren geht, ist Diamant das beste Material, sagt Gregory Fuchs, Professor an der Cornell University. Jetzt haben er und ein Forscherteam die Leistung von Diamanten verbessert, indem sie exquisite Bilder von Diamanten bei mikroskopischen Vibrationen erzeugt haben.

Dem Team, das aus Forschern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) sowie der Cornell University und der Purdue University besteht, gelang ein zweifacher Fortschritt in der Quanteninformationswissenschaft.

Sie versetzten den Diamanten zunächst in Schallwellen, machten Röntgenbilder der Schwingungen des Diamanten und maßen, wie stark sich die Atome je nach Wellenfrequenz komprimierten oder ausdehnten.

Zweitens verknüpften sie diese atomare Spannung mit einer anderen atomaren Eigenschaft, dem Spin – einer besonderen Eigenschaft aller Atommaterie – und definierten die mathematische Beziehung zwischen beiden.

Die Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung für die Quantensensorik, die sich die besonderen Eigenschaften von Atomen zunutze macht, um Messungen durchzuführen, die wesentlich präziser sind als heute. Man geht davon aus, dass Quantensensoren in den kommenden Jahrzehnten in der Medizin, Navigation und Kosmologie weit verbreitet sein werden.

Schütteln und drehen

Wissenschaftler verwenden den Spin, um Quanteninformationen zu kodieren. Indem das Team ermittelte, wie der Spin in Diamanten auf Spannung reagiert, erstellte es eine Anleitung zur Manipulation: Schüttelt man den Diamanten auf diese Weise mikroskopisch, ändert sich der Spin um diesen Wert. Schüttelt man den Diamanten auf diese Weise, ändert sich der Spin um diesen Wert.

Die Forschung, veröffentlicht In Angewandte körperliche Untersuchungist das erste Mal, dass jemand die Korrelation in Diamanten bei Gigahertz-Frequenzen (Milliarden Impulse pro Sekunde) direkt gemessen hat.

Es ist auch Teil einer größeren Anstrengung der Quantenwissenschaftsgemeinschaft, die atomare Spannung und den damit verbundenen Spin in einer breiten Palette von Materialien präzise zu verknüpfen. So haben Forscher an der Argonne University und der University of Chicago zuvor Spin-Spannungs-Korrelationen in Siliziumkarbid gemessen, einem weiteren Starmaterial, das Forscher für Quantenanwendungen entwickeln.

Die Forschung der Gruppe wird teilweise von Q-NEXT unterstützt, einem von Argonne geleiteten nationalen Forschungszentrum für Quanteninformationswissenschaft des Energieministeriums.

„Wir verbinden zwei Seiten einer Gleichung – die Spinseite und die Spannungsseite – und vergleichen direkt, was im Diamanten vor sich geht“, sagte Fuchs, Professor an der Cornell School of Applied and Engineering Physics und Mitarbeiter bei Q-NEXT. „Es war sehr befriedigend, beides direkt herauszufinden.“

Lösen der Spin-Dehnungsgleichung

Die beiden Seiten der Gleichung wurden Hunderte von Meilen voneinander entfernt niedergemäht.

Für die Spinmessungen maßen Wissenschaftler der Cornell University in New York, wie der Spin auf die durch den Diamanten pulsierenden Schallwellen reagierte. Dafür verwendeten sie ein einzigartiges Gerät, das von Forschern der Cornell und Purdue entwickelt wurde.

Für die Dehnungsmessungen fuhr der Cornell-Student und Autor der Studie, Anthony D’Addario, 700 Meilen nach Argonne in Illinois, um die Advanced Photon Source (APS) zu nutzen, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Die Maschine mit einem Umfang von einem Kilometer erzeugt Röntgenstrahlen, mit denen Forscher sehen können, wie sich ein Material auf atomarer und molekularer Ebene verhält.

Nachdem das Team für die Quantentechnologie Bilder von Spannungen in anderen Materialien erstellt hat, soll es nun dasselbe mit Diamanten tun. Das Team verwendete einen Röntgenstrahl, der gemeinsam von APS und dem Center for Nanoscale Materials in Argonne, ebenfalls eine Einrichtung des DOE Office of Science, betrieben wird, um stroboskoplichtähnliche Bilder der hin- und herschwingenden Diamantatome aufzunehmen.

Sie konzentrierten sich auf eine bestimmte Stelle im Diamanten: eine Unregelmäßigkeit, die als Stickstoff-Fehlstellenzentrum (NV-Zentrum) bezeichnet wird und aus einem atomgroßen Loch und einem benachbarten Stickstoffatom besteht. Wissenschaftler nutzen NV-Zentren als Grundlage für Quantensensoren.

Die hochauflösenden Bilder des APS ermöglichten es dem Team, die Bewegung der Atome in der Nähe der NV-Zentren des Diamanten auf ein Tausendstel zu messen.

„Die Möglichkeit, das APS zu verwenden, um die Spannung in der Nähe des NV-Zentrums eindeutig zu betrachten oder zu quantifizieren, während sie von diesen wunderbaren akustischen Resonatoren moduliert wird, die an der Purdue University und der Cornell University entwickelt wurden, ermöglicht es uns, die Geschichte lokal in der Nähe der NV-Zentren zu erfassen“, sagte der Argonne-Wissenschaftler und Q-NEXT-Mitarbeiter Martin Holt, der auch Autor des Artikels ist.

„Das war schon immer das Schöne an harten Röntgenstrahlen: Man kann komplexe Systeme vollständig durchschauen und erhält quantitative Antworten darauf, was sich darin befindet.“

Fuchs und sein Team lagen sowohl Spin- als auch Dehnungsmessungen vor und verknüpften die beiden in einer Gleichung, die erfreulicherweise mit der Theorie übereinstimmte.

„Der spannendste Teil war die Analyse. Wir haben schließlich eine neue Zahl gefunden, die den Spin und die Spannung in Beziehung setzt, und sie stimmte mit einigen Theorien und früheren Messungen überein“, sagte D’Addario.

Akustiktechnik

Der Spin kann auf verschiedene Weise manipuliert werden. Am beliebtesten ist die Verwendung elektromagnetischer Wellen. Die Verwendung akustischer Wellen ist weniger gebräuchlich.

Doch die Technologie hat auch Vorteile: Mit Schallwellen lässt sich der Spin auf eine Art und Weise manipulieren, die mit elektromagnetischen Feldern nicht möglich ist.

Zum anderen können Schallwellen die im Spin kodierte Quanteninformation schützen. Quanteninformation ist fragil und zerfällt, wenn sie durch ihre Umgebung gestört wird. Dieser Vorgang wird Dekohärenz genannt. Eines der Ziele der Quantenforschung ist es, die Dekohärenz lange genug zu verhindern, damit die Information erfolgreich verarbeitet werden kann.

„Es ist ein wenig kontraintuitiv, dass das Hinzufügen von Ton zu einem System es besser macht, aber es ist ein bisschen so, als würde man einen Generator für weißes Rauschen einschalten, um ein Gespräch nicht zu hören“, sagte Holt. „Man kann die akustischen Wellen verwenden, um das Quantenbit vor Dekohärenz zu schützen. Man verschiebt die Empfindlichkeit des Systems auf eine Weise, die es vor diesen anderen Tonprozessen schützt.“

Hinzu kommt der Vorteil der Miniaturisierung. Während eine elektromagnetische Welle von einem Gigahertz etwa 30 Zentimeter lang ist, ist eine akustische Gigahertz-Welle winzig, etwa so breit wie ein menschliches Haar. Diese kleine Wellenlänge ermöglicht es Wissenschaftlern, mehrere ähnliche Geräte in einem kleinen Aufbau unterzubringen und dennoch sicherzustellen, dass sich ihre Signale nicht kreuzen.

„Wenn es nicht zu vielen Diskussionen oder Interferenzen zwischen benachbarten Geräten kommen soll, dann kann man Akustikwellengeräte verwenden, die sehr begrenzt sein können“, sagte Fuchs.

Die Kombination dieser Vorteile mit Diamant ergibt einen überlegenen Quantensensor. Als Träger für Quanteninformationen ermöglicht Diamant lange Informationslebensdauern, kann bei Raumtemperatur betrieben werden und liefert zuverlässige Messungen.

„Ich würde sagen, die meisten Leute würden mir zustimmen, dass Diamant für Quantensensoren der König ist“, sagte Fuchs.

Der Schlüssel zu diesem Ziel war die fachübergreifende Zusammenarbeit.

„Aufgrund der Komplexität und Empfindlichkeit dieser Systeme gibt es viele verschiedene Dinge, die Quantenphänomene bewegen können“, sagte Holt.

„Um die Reaktion auf einzelne Teile sorgfältig bestimmen zu können, ist eine Korrelation erforderlich. Das ist eine multidisziplinäre Frage, und Q-NEXT ist sehr gut geeignet, sie zu beantworten. Die Investition von Q-NEXT in die Schaffung von Betriebsumgebungen für Quantensysteme in diesen Einrichtungen zahlt sich wirklich aus.“