Präzision im Diamantschliff: Entwicklung von Diamantsensoren für Neutronenexperimente und Quanteninformationswissenschaft

Die Kernphysikgruppe der University of Illinois Urbana-Champaign sucht nach Beweisen für eine neue Physik in Neutronen, elektrisch neutralen Teilchen, die Atomkerne durch eine Wechselwirkung namens starke Kraft zusammenhalten. Fakultät und Forscher nehmen am nEDM-Experiment am Oak Ridge National Laboratory teil, bei dem das elektrische Dipolmoment des Neutrons gemessen wird, eine Eigenschaft, die es Neutronen ermöglicht, trotz ihrer Neutralität mit elektrischen Feldern zu interagieren. Eine präzise Messung wird Theorien einschränken, die das aktuelle Standardmodell der Teilchenphysik erweitern. Um dies zu erreichen, müssen die Forscher subtile Veränderungen in sehr starken elektrischen Feldern genau messen.

Der Physikprofessor Douglas Beck hat vom Energieministerium ein Stipendium für die Entwicklung von Sensoren auf Basis von Stickstoff-Leerstellen-Diamant erhalten, einem Material, dessen Quanteneigenschaften bei niedrigen Temperaturen es ungewöhnlich empfindlich gegenüber elektrischen Feldern machen. Seine Forschungsgruppe hat gezeigt, dass das Material starke elektrische Felder messen kann, und der Preis wird es den Forschern ermöglichen, Sensoren zu konstruieren, die für den Einsatz im nEDM-Experiment geeignet sind. Darüber hinaus machen die Quanteneigenschaften des Materials es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Quanteninformationswissenschaft. Die Forscher werden auch diese möglichen Anwendungen untersuchen.

Beck erklärte, dass chemisch hinzugefügte Stickstofffehlstellen oder NV-Verunreinigungen dem Diamanten eine ungewöhnliche elektrische Feldempfindlichkeit verleihen. „Diese Verunreinigungen sind Regionen mit einem zusätzlichen Stickstoffatom und einem Loch [oder einer Lücke], wo sich normalerweise Kohlenstoffatome befinden würden“, sagte er. „Wenn das Material auf weniger als 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, bilden die Verunreinigungen ein Quantensystem, das auf elektrische Felder reagiert. Dies ist eine ziemlich ungewöhnliche Eigenschaft, da nicht viele Systeme auf elektrische Felder reagieren, und das macht NV-Diamant zu etwas Besonderem.“

Das NV-System kann noch empfindlicher gemacht werden, wenn es in einem bestimmten Quantenzustand präpariert wird. Anstatt das System nach dem Abkühlen in seinem niedrigsten Energiezustand bleiben zu lassen, bilden die Forscher eine Quantenüberlagerung des niedrigsten und des nächstniedrigeren Energiezustands, die als dunkler Zustand bezeichnet wird, weil er nicht mit Licht interagiert. „In gewisser Weise soll der Name darauf hinweisen, dass es immun gegen Wechselwirkungen mit der Umwelt ist“, sagte Beck. „Da es langlebig ist, hat es eine sehr scharf definierte Energie, die uns sehr genau sagt, wie groß das elektrische Feld ist.“

Becks Gruppe hat gezeigt, dass dieses Phänomen es NV-Diamant ermöglicht, starke elektrische Felder zu messen, und die Auszeichnung wird es den Forschern ermöglichen, darauf basierend zuverlässige, robuste Sensoren zu entwickeln. Dabei werden Sensoren in Einheiten verpackt, die sich leicht mit den zu ihrer Steuerung verwendeten Lasern verbinden lassen und die Auswirkungen von Hintergrundgeräuschen minimieren. Sie untersuchen laut Beck auch eine Quantentechnik namens dynamische Entkopplung, die es ihnen ermöglichen würde, die Auswirkungen experimenteller Unvollkommenheiten effektiv umzukehren. Dies würde die bereits präzisen Messungen des elektrischen Feldes noch genauer machen.

Ein weiteres Ziel der Forschung besteht darin, Vorschläge für den Einsatz von NV-Diamant in der Quanteninformationswissenschaft zu untersuchen. Die lange Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit des dunklen Zustands gegenüber Umgebungsrauschen machen ihn zu einer vielversprechenden Plattform für Quantensensorik und Quantenspeicher. Viele solcher Anwendungen hängen davon ab, Quantensysteme in gequetschte Zustände zu versetzen, die die minimale Unsicherheit aufweisen, die das Heisenberg-Prinzip zulässt. Es gab mehrere Vorschläge zur Schaffung gequetschter Zustände in NV-Diamanten, und Becks Gruppe wird deren Machbarkeit untersuchen.

Diese Arbeit wird über einen Zeitraum von drei Jahren mit 650.000 US-Dollar unterstützt, die von der Quantum Horizons-Initiative im Kernphysikprogramm des Energieministeriums vergeben werden.

Bereitgestellt vom Grainger College of Engineering der University of Illinois