&bala; Física 18, 132
Dois grupos independentes otimizam a detecção quântica baseada em diamante usando mais de 100 desses sensores em paralelo.
O diamante é valorizado há muito tempo por sua beleza e mantém o registro como o materials pure mais difícil. Ao introduzir átomos de nitrogênio em sua rede de cristal, ele também pode ser transformado em um sensor quântico notável. Os defeitos de cristal associados são conhecidos como centros de nitrogênio-vacancia (NV) e imbuam esses sensores com a sensibilidade sem precedentes do campo eletromagnético e uma excelente resolução espacial (1). No entanto, as plataformas experimentais projetadas para explorar esses sensores até agora tiveram aplicabilidade limitada porque a velocidade e a resolução de detecção são difíceis de otimizar simultaneamente. Agora, duas equipes de pesquisa – uma liderada por Shimon Kolkowitz na Universidade da Califórnia, Berkeley, (2) e o outro de Nathalie de Leon na Universidade de Princeton (3) – Desenvolveu independentemente uma maneira de manipular e medir mais de 100 centros de NV em paralelo (Fig. 1). A abordagem expande as possibilidades de usar sensores de NV para investigar fenômenos quânticos, permitindo medições de propriedades não-locais (como correlações espaciais e temporais) relevantes para a física e a ciência dos materiais de matéria condensada.
Um centro de NV se forma quando um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono na rede de cristal de diamante e fica adjacente a uma vaga de átomo de carbono. O átomo de nitrogênio e a vaga juntamente a armadilha, e o centro de NV com carga negativa resultante tem uma rotação eletrônica de 1, permitindo que ele sirva como um sistema quântico de três níveis (4). As energias desses níveis são altamente sensíveis a pequenas alterações nos campos magnéticos e elétricos, bem como à temperatura e tensão. Atualmente, os experimentos de detecção de NV envolvem um centro de NV isolado que pode sentir alterações em alta resolução espacial ou um grupo de centros de NV que tem melhor sensibilidade, mas menor resolução. Diferentes abordagens para o uso dos centros de NV encontram, assim2).
Uma técnica de exemplo é chamada de microscopia de NV provenção de varredura, na qual um cantilever de diamante do tamanho de um micrômetro contendo um único centro de NV é usado para executar microscopia de força atômica (1). Essa estratégia oferece excelente resolução espacial porque a resolução é definida pela distância de NV para amostra, que é finalmente determinada pela profundidade do centro de NV em relação à superfície do diamante. No entanto, o método é lento e é um desafio incorporar vários sensores de NV simultaneamente.
Para obter detecção quântica com um conjunto de centros de NV, uma câmera pode ser usada para ler o estado de rotação de cada defeito. Este método fornece funcionalidade de imagem de campo amplo para resolver propriedades magnéticas microscópicas, elétricas e térmicas de uma amostra (5). O grande número de centros de NV introduz um efeito de amplificação que gera mais altas velocidades de sensibilidade ao campo e medição em comparação com um único centro de NV. No entanto, essa abordagem de campo largo tem baixa resolução espacial-um fator que é fundamentalmente restrito pelo limite de difração óptica.
A plataforma de detecção quântica desenvolvida pelas equipes de pesquisa de Kolkowitz e De Leon resolve esse dilema. Oferece excelente resolução espacial e controlabilidade native. Mas também permite a manipulação paralela e a leitura de vários centros de NV (Fig. 1), estabelecendo um protocolo avançado de detecção quântica para implementar medições multiplexadas.
Para desenvolver sua abordagem, Kolkowitz e colegas usaram uma câmera especializada que pode detectar fótons únicos para ler os estados de carga e girar de vários centros de NV em paralelo. Essa estratégia envolve a conversão de informações de rotação em informações de cobrança, explorando a precisão e a fidelidade extremely -alta das medidas usando os estados de carga de NV. Esse processo aumenta significativamente o contraste óptico, a velocidade de medição e a sensibilidade em comparação com os métodos convencionais (6).
Para mostrar a eficácia da técnica, a equipe de Kolkowitz realizou medições paralelas de 108 centros de NV. Especificamente, usando pulsos de microondas para preparar subgrupos de centros de NV em diferentes estados, os pesquisadores fizeram medições simultâneas de 5778 coeficientes de correlação únicos entre os centros de 108 NV. Os resultados estavam em excelente concordância com as previsões teóricas do pesquisador. Essa abordagem é particularmente adequada para a triagem rápida dos centros de NV com propriedades específicas, como orientações de rotação desejadas ou tempos de coerência. Também pode ser útil testar a presença de núcleos de carbono-13 com forte acoplamento aos centros de NV. Esses átomos podem ser úteis para aplicações de memória quântica em virtude de seus longos tempos de coerência. Também pode ser usado para detectar correlações clássicas em pares entre rotações de NV direcionadas.
Enquanto isso, de Leon e colegas de trabalho fizeram medições paralelas da ressonância magnética, oscilação da rabi e relaxamento de rotação de cerca de 100 centros de NV. Para fazer isso, eles usaram câmeras de baixo ruído para detectar vários centros de NV simultaneamente. A equipe também demonstrou uma leitura multiplexada de baixo ruído dos estados de rotação da NV por meio da conversão de rotação em cobrança. Esse avanço é essential para melhorar as capacidades de detecção dos centros de NV, as vias de abertura para medições simultâneas de correlações estatísticas chamadas correlações de Pearson entre os centros de NV.
De Leon e colegas mostraram que as correlações de ruído acionadas por um fio que transporta correntes alternadas de random de fase pode ser reconstruído quantitativamente usando seu método. Especificamente, os pesquisadores mediram correlações entre o ruído do campo magnético associado a cinco centros de NV localizados em diferentes posições em relação ao fio, e essas correlações foram proporcionais aos seus cálculos teóricos. Essa descoberta sugere que a abordagem pode ser usada para caracterizar os campos magnéticos e suas correlações subjacentes em grandes áreas de amostra com precisão em nanoescala.
Esses dois estudos seminais, sem dúvida, proporcionarão oportunidades interessantes na vanguarda da pesquisa em sensor a quântica e metrologia, controle quântico e informações quânticas. As ferramentas inovadoras de detecção das equipes abrirão o caminho para as medições de magnetometria de última geração das correlações entre muitos centros de NV, fornecendo informações sobre as escalas de comprimento intrínsecas e escalas de tempo de materiais correlacionados (7).
A abordagem apresentada pode até ser estendida para investigar correlações exóticas em materiais de estado sólido que exibem fenômenos emergentes, como o fluxo de elétrons do tipo hidrodinâmico em materiais topológicos, estados eletrônicos topológicos correlacionados em superlates de superlatícios de superlatícios de van derlates e magnetismo de engenharia. Os princípios físicos subjacentes à técnica são gerais e podem ser prontamente aplicados a defeitos de rotação quântica além dos centros de NV, como centros de divacância e vacancia de silício no carboneto de silício e centros de cores 2D incorporados em cristais de van der Waals (8). Tais implementações forneceriam diversas plataformas técnicas para o desenvolvimento da tecnologia quântica de próxima geração.
Referências
- F. Casola et al.“Sondando a física da matéria condensada com magnetometria baseada em centros de nitrogênio-vacancia em diamante”. Nat. Rev. Mater. 317088 (2018).
- M. Cambria et al.“Medição paralela escalável de centros individuais de nitrogênio-vacancia”. Phys. Rev. x 15031015 (2025).
- Ok.-H. Cheng et al.“Magnetometria em nanoescala multiplexada massivamente com sensores quânticos de diamante”. Phys. Rev. x 15031014 (2025).
- L. Rondin et al.“Magnetometria com defeitos de nitrogênio-vacancia em diamante”. Rep. Prog. Phys. 77056503 (2014).
- SC Scholten et al.“Microscopia quântica de campo largo com centros de nitrogênio-vacancas em diamante: forças, limitações e perspectivas”. J. App. Phys. 130150902 (2021).
- B. J. Shields et al.“Leitura eficiente de um único estado de rotação em diamante por conversão de spin-to-carregar”. Phys. Rev. Lett. 114136402 (2015).
- J. Rovny et al.“Magnetometria de covariância em nanoescala com sensores quânticos de diamante”. Ciência 3781301 (2022).
- A. Gottscholl et al.“Inicialização e leitura de defeitos de rotação intrínseca em um cristal de van der Waals à temperatura ambiente”. Nat. Mater. 19540 (2020).
