用于中子实验和量子信息科学的先进钻石传感器

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在参与橡树岭国家实验室的nEDM实验，目的是测量中子的电偶极矩，以约束粒子物理学的理论。研究人员旨在为nEDM实验建造传感器，并探索其在量子信息科学中的潜在应用。氮空穴金刚石独特的量子特性使其成为量子传感和量子存储器的有希望的候选者。

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的新物理学证据，中子是电中性粒子，通过一种称为强力的相互作用将原子核固定在一起。教师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，这一特性使中子尽管是中性的，但却能与电场相互作用。一个精确的测量将约束扩展当前粒子物理学标准模型的理论。为了实现这一目标，研究人员必须准确地测量非常强的电场的微妙变化。

物理学教授道格拉斯-贝克（Douglas Beck）获得了能源部的资助，以开发基于氮空穴金刚石的传感器，这种材料在低温下的量子特性使其对电场异常敏感。他的研究小组已经表明，这种材料可以测量强电场，该奖项将使研究人员能够构建准备用于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一个有希望的候选者。研究人员还将探索这些潜在的应用。

贝克解释说，化学上添加的氮空位（或NV）杂质使钻石具有不寻常的电场敏感性。这些杂质是带有一个额外的氮原子和一个空洞[或空位]的区域，而这些空位通常是在碳原子的位置。当材料被冷却到绝对零度以上不到20度时，这些杂质形成一个对电场有反应的量子系统。这是一个相当不寻常的特性，因为没有多少系统对电场有反应，这使得NV钻石变得特别。

当NV系统在特定的量子状态下被制备时，它可以变得更加敏感。研究人员在冷却该系统后，没有让它停留在最低的能量状态，而是形成了一个最低和次低能量状态的量子叠加，称为暗态，因为它不与光相互作用而得名。

"在某种意义上，这个名字是为了暗示它对与环境的相互作用具有免疫力，"贝克说。"因为它的寿命很长，它有着非常鲜明的能量，非常准确地告诉我们电场有多大。"

贝克的研究小组已经证明，这种现象使NV钻石能够测量强电场，该奖项将使研究人员能够在此基础上开发可靠、坚固的传感器。这将涉及到将传感器包装成易于与用于控制它们的激光器连接的单元，并将背景噪音的影响降至最低。贝克说，他们还在研究一种叫做动态解耦的量子技术，这将使他们能够有效地扭转实验不完善的影响。这将使已经很精确的电场测量变得更加精确。

该研究的另一个目标是探索在量子信息科学中使用NV钻石的建议。暗态的长寿命和对环境噪声的弹性使它成为一个有前途的量子传感和量子存储器的平台。许多这样的应用取决于将量子系统置于拥有海森堡原理所允许的最小不确定性的挤压状态，目前已经有几个关于在NV钻石中创造挤压态的建议，贝克的小组将调查其可行性。

这项工作将得到能源部核物理项目中的量子地平线计划三年内65万美元的支持。