Precisão de corte de diamante: Universidade de Illinois desenvolverá sensores de diamante para experimentos de nêutrons e ciência da informação quântica

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A representação artística ilustra o sensor de diamante de vacância de nitrogênio que o grupo Beck desenvolverá. As linhas de grade internas representam o caminho da luz laser dentro do diamante – o feixe de entrada (linha vermelha mais grossa) é repetidamente refletido dentro do sensor de diamante até encontrar o canto cortado onde emerge (a linha vermelha mais fina). Imagem de Yasmine Steele para Illinois Physics CREDIT A Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Abstrato:
O grupo de física nuclear da Universidade de Illinois Urbana-Champaign está em busca de evidências de uma nova física em nêutrons, partículas eletricamente neutras que mantêm os núcleos atômicos unidos por meio de uma interação chamada força forte. Professores e pesquisadores estão participando do experimento nEDM no Laboratório Nacional de Oak Ridge, que medirá o momento dipolar elétrico do nêutron, uma propriedade que permite que os nêutrons interajam com campos elétricos, apesar de sua neutralidade. Uma medição precisa restringirá as teorias que estendem o atual modelo padrão da física de partículas. Para conseguir isso, os pesquisadores devem medir com precisão mudanças sutis em campos elétricos muito fortes.

Precisão de corte de diamante: Universidade de Illinois desenvolverá sensores de diamante para experimentos de nêutrons e ciência da informação quântica

Urbana, Illinois | Postado em 14 de abril de 2023

O professor de Física Douglas Beck recebeu uma bolsa do Departamento de Energia para desenvolver sensores baseados em diamante de vacância de nitrogênio, um material cujas propriedades quânticas em baixas temperaturas o tornam incomumente sensível a campos elétricos. Seu grupo de pesquisa mostrou que o material pode medir campos elétricos fortes, e o prêmio permitirá aos pesquisadores construir sensores prontos para uso no experimento nEDM. Além disso, as propriedades quânticas do material tornam-no um candidato promissor para a ciência da informação quântica. Os pesquisadores também irão explorar essas aplicações potenciais.

Beck explicou que as impurezas de vacância de nitrogênio adicionadas quimicamente, ou NV, conferem ao diamante uma sensibilidade incomum ao campo elétrico. “Essas impurezas são regiões com um átomo de nitrogênio extra e um buraco [ou vacância] onde normalmente estariam os átomos de carbono”, disse ele. “Quando o material é resfriado a menos de 20 graus acima do zero absoluto, as impurezas formam um sistema quântico que responde a campos elétricos. Esta é uma característica bastante incomum porque poucos sistemas respondem a campos elétricos, e isso torna o diamante NV especial.”

O sistema NV pode se tornar ainda mais sensível quando preparado em um estado quântico específico. Em vez de deixar o sistema permanecer em seu estado de energia mais baixo depois de resfriá-lo, os pesquisadores formam uma superposição quântica dos estados de energia mais baixos e dos próximos mais baixos, chamada de estado escuro, assim chamado porque não interage com a luz. “De certa forma, o nome pretende sugerir que é imune às interações com o meio ambiente”, disse Beck. “Por ter vida longa, tem uma energia bem definida que nos diz com muita precisão quão grande é o campo elétrico.”

O grupo de Beck demonstrou que este fenómeno permite ao diamante NV medir campos eléctricos fortes, e o prémio permitirá aos investigadores desenvolver sensores fiáveis ​​e robustos baseados nele. Isso envolverá o empacotamento de sensores em unidades que se conectam prontamente aos lasers usados ​​para controlá-los e minimizar os efeitos do ruído de fundo. Eles também estão investigando uma técnica quântica chamada desacoplamento dinâmico, que lhes permitiria reverter efetivamente os efeitos das imperfeições experimentais, segundo Beck. Isso tornaria as já precisas medições do campo elétrico ainda mais precisas.

Outro objetivo da pesquisa é explorar propostas para o uso do diamante NV na ciência da informação quântica. A longa vida útil do estado escuro e a resiliência contra o ruído ambiental tornam-no uma plataforma promissora para detecção quântica e memória quântica. Muitas dessas aplicações dependem da colocação de sistemas quânticos em estados comprimidos que possuem a incerteza mínima permitida pelo princípio de Heisenberg. Houve várias propostas para a criação de estados espremidos em diamantes NV, e o grupo de Beck irá avaliar as suas viabilidades.

Este trabalho será apoiado com US$ 650,000 ao longo de três anos, concedidos pela iniciativa Quantum Horizons no programa de Física Nuclear do Departamento de Energia.

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Contactos:
Cassandra Smith
Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois

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