Электромагнитный шум представляет собой серьезную проблему для связи, побуждая операторов беспроводной связи вкладывать значительные средства в технологии для его преодоления. Но для группы ученых, изучающих атомную сферу, измерение крошечных флуктуаций шума может стать ключом к открытию.
«Обычно шум считается неприятностью, но физики могут многому научиться, изучая шум », — сказала Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета. «Измеряя шум в материале, они могут узнать его состав, его температуру, то, как электроны движутся и взаимодействуют друг с другом, и как спины формируют магниты. Как правило, трудно измерить что-либо о том, как шум изменяется в пространстве или время.»
Используя алмазы специальной конструкции, группа исследователей из Принстона и Университета Висконсин-Мэдисон разработала метод измерения шума в материале путем изучения корреляций, и они могут использовать эту информацию для изучения пространственной структуры и изменяющейся во времени природы шума. шум. Этот метод, основанный на отслеживании крошечных колебаний магнитных полей, представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими методами, которые усредняли множество отдельных измерений.
De Leon является лидером в производстве и использовании строго контролируемых алмазных структур, называемых азотно-вакансионными (NV) центрами. Эти NV-центры представляют собой модификации решетки атомов углерода алмаза, в которых углерод заменен атомом азота, а рядом с ним находится пустое пространство или вакансия в молекулярной структуре. Алмазы с NV-центрами — один из немногих инструментов, которые могут измерять изменения магнитных полей в масштабе и со скоростью, необходимой для критических экспериментов в области квантовых технологий и физики конденсированного состояния.
Хотя один центр NV позволял ученым получать подробные показания магнитных полей, только когда команда де Леона разработала метод одновременного использования нескольких центров NV, они смогли измерить пространственную структуру шума в материале. Это открывает дверь к пониманию свойств материалов с причудливым квантовым поведением, которые до сих пор анализировались только теоретически, сказал де Леон, старший автор статьи , описывающей метод, опубликованной онлайн 22 декабря в журнале Science.
«Это принципиально новая техника, — сказал де Леон. «С теоретической точки зрения было ясно, что это было бы очень мощно, чтобы иметь возможность сделать это. Аудитория, которая, я думаю, больше всего взволнована этой работой, — это теоретики конденсированного состояния, теперь, когда есть целый мир явлений, они могли бы быть в состоянии охарактеризовать по-другому».
Одним из таких явлений является квантовая спиновая жидкость , материал, впервые исследованный в теории почти 50 лет назад, который было трудно охарактеризовать экспериментально. В квантовой спиновой жидкости электроны находятся в постоянном движении, в отличие от твердотельной стабильности, которая характеризует типичный магнитный материал при охлаждении до определенной температуры.
«Сложность квантовой спиновой жидкости заключается в том, что по определению не существует статического магнитного упорядочения, поэтому вы не можете просто нанести на карту магнитное поле , как вы это сделали бы с другим типом материала», — сказал де Леон. «До сих пор практически не было способа напрямую измерить эти двухточечные корреляторы магнитного поля , и вместо этого люди пытались найти сложные прокси для этого измерения».
Одновременно измеряя магнитные поля в нескольких точках с помощью алмазных датчиков, исследователи могут определить, как электроны и их спины перемещаются в пространстве и времени в материале. При разработке нового метода команда применила калиброванные лазерные импульсы к алмазу, содержащему NV-центры, а затем обнаружила два всплеска количества фотонов от пары NV-центров — показания спинов электронов в каждом центре в один и тот же момент времени. Предыдущие методы усредняли бы эти измерения, отбрасывая ценную информацию и делая невозможным отличить собственный шум алмаза и его окружения от сигналов магнитного поля, генерируемых интересующим материалом.
«Один из этих двух всплесков — это сигнал, который мы применяем, другой — всплеск из локальной среды, и нет никакого способа определить разницу», — сказал соавтор исследования Шимон Колковиц, адъюнкт-профессор физики в Университете Висконсина. -Мэдисон. «Но когда мы смотрим на корреляции, одна из них связана с сигналом, который мы применяем, а другая — нет. И мы можем измерить то, что люди не могли измерить раньше».
Колковиц и де Леон познакомились как доктор философии. студенты Гарвардского университета, и с тех пор они часто общались. По словам де Леона, их научное сотрудничество началось в начале пандемии COVID-19, когда лабораторные исследования замедлились, но сотрудничество на расстоянии стало более привлекательным, поскольку большинство взаимодействий происходило через Zoom.
Джаред Ровни, ведущий автор исследования и научный сотрудник группы де Леона с докторской степенью, руководил как теоретической, так и экспериментальной работой над новым методом. По словам де Леона, вклад Колковица и его команды имел решающее значение для разработки экспериментов и понимания данных. Среди соавторов статьи также были Ахмед Абдалла и Лаура Футамура, которые проводили летние исследования с командой де Леона в 2021 и 2022 годах соответственно в качестве стажеров в рамках программы квантовых исследований студентов в IBM и Принстоне (QURIP), которую де Леон основал в 2019 году.
Статья «Наномасштабная ковариационная магнитометрия с алмазными квантовыми датчиками» была опубликована 22 декабря в журнале Science.
Теги: магнит
