钻石切割精度：伊利诺伊大学开发用于中子实验和量子信息科学的钻石传感器

由柏拉图重新发布

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艺术家的渲染图展示了贝克小组将开发的氮空位金刚石传感器。内部网格线代表激光在钻石内的路径 - 入射光束（较粗的红线）在钻石传感器内反复反射，直到遇到它出现的切角（较细的红线）。图片由 Yasmine Steele 为伊利诺伊州物理 CREDIT 提供伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

摘要：
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在寻找中子新物理学的证据，中子是电中性粒子，它们通过一种称为强力的相互作用将原子核保持在一起。教员和研究人员正在参加橡树岭国家实验室的 nEDM 实验，该实验将测量中子的电偶极矩，这种特性允许中子在中性的情况下与电场相互作用。精确的测量将限制扩展当前粒子物理标准模型的理论。为了实现这一目标，研究人员必须准确测量强电场中的细微变化。

钻石切割精度：伊利诺伊大学开发用于中子实验和量子信息科学的金刚石传感器

伊利诺伊州厄巴纳 |发表于 14 年 2023 月 XNUMX 日

物理学教授道格拉斯·贝克获得了能源部的拨款，用于开发基于氮空位金刚石的传感器，这种材料在低温下的量子特性使其对电场异常敏感。他的研究小组已经证明该材料可以测量强电场，该奖项将使研究人员能够构建可用于 nEDM 实验的传感器。此外，该材料的量子特性使其成为量子信息科学的有希望的候选者。研究人员还将探索这些潜在的应用。

Beck 解释说，化学添加的氮空位（NV）杂质赋予了金刚石不同寻常的电场敏感性。 “这些杂质是碳原子通常所在的地方有一个额外的氮原子和一个孔（或空位）的区域，”他说。 “当材料冷却到绝对零以上 20 度以内时，杂质会形成一个对电场做出响应的量子系统。这是一个非常不寻常的特性，因为没有多少系统会对电场做出响应，这使得 NV 钻石变得特别。”

当 NV 系统在特定的量子态下制备时，可以变得更加灵敏。研究人员并没有让系统在冷却后保持在最低能量状态，而是形成了最低和次低能量状态的量子叠加，称为暗态，如此命名是因为它不与光相互作用。 “从某种意义上说，这个名字意味着它不受与环境相互作用的影响，”贝克说。 “因为它寿命很长，所以它具有非常明确的能量，可以非常准确地告诉我们电场有多大。”

Beck 的团队已经证明，这种现象使 NV 金刚石能够测量强电场，该奖项将使研究人员能够基于它开发可靠、强大的传感器。这将涉及将传感器封装成易于与用于控制它们的激光器连接的单元，并最大限度地减少背景噪声的影响。贝克表示，他们还在研究一种称为动态解耦的量子技术，该技术将使他们能够有效地扭转实验缺陷的影响。这将使已经很精确的电场测量变得更加准确。

该研究的另一个目标是探索在量子信息科学中使用 NV 金刚石的建议。暗态的长寿命和对环境噪声的抵抗能力使其成为量子传感和量子存储的有前途的平台。许多此类应用依赖于将量子系统置于压缩态，这些压缩态具有海森堡原理允许的最小不确定性。已经有几个关于在 NV 钻石中创建挤压态的提议，贝克的小组将调查它们的可行性。

这项工作将得到能源部核物理计划中的量子地平线计划三年内 650,000 万美元的资助。

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联系方式：
卡桑德拉·史密斯
伊利诺伊大学格兰杰工程学院

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