Detekcja kwantowa z użyciem pojedynczych spinów
Zainteresowanie finansowanych przez UE naukowców naładowanymi centrami azot-wakancja wynika z chęci lepszego zrozumienia ich unikalnych właściwości kwantowych. Ponadto właściwościami kwantowymi takich zanieczyszczeń znajdujących się w diamentach syntetycznych można indywidualnie sterować i badać je w temperaturze pokojowej. Gdy pomiary opierają się na właściwościach takich jak różnice między dobrze opisanymi stanami kwantowymi, wykonujące je czujniki mogą osiągać niespotykaną wcześniej precyzję. Detekcja kwantowa w projekcie QUANTUM METREOLOGY (Measuring magnetic monopoles using quantum metrology in diamond) dotyczyła przede wszystkim magnetometrów. Centra azot-wakancja mają skwantowane poziomy energetyczne, które rozdzielają się w obecności pól magnetycznych. Zmiany te można odczytywać, co pozwala określać wielkość zewnętrznie oddziałującego pola. Unikalność centrów azot-wakancja wynika z możliwości ich odczytywania metodami optycznymi; zjawisko to nazywane jest optyczną detekcją rezonansu magnetycznego. Naukowcy pracujący w projekcie QUANTUM METROLOGY wykorzystali wiązkę lasera do wprowadzenia układów atomowych do dobrze znanego stanu energetycznego, podczas gdy pola o częstotliwości radiowej kontrolowały spójność tego stanu. Wtedy odczytywano właściwości fluorescencyjne badanych obiektów, dokonując ich pomiarów w nanoskali, demonstrując tym samym potencjał zastosowania tej techniki w obrazowaniu struktur molekularnych. W celu oceny wyników obrazowania rezonansu magnetycznego opierającego się na centrach azot-wakancja przedstawiono trójwymiarowy obraz spinów elektronowych blisko powierzchni diamentu. Naukowcy osiągnęli w ten sposób bezprecedensowe połączenie rozdzielczości — już od 0,8 nm — i czułości na zmiany pojedynczych spinów. Nowa technika pozwala na określanie lokalizacji znakowania spinów w systemach biologicznych. Z drugiej strony w przypadku zastosowania tej techniki w magnetometrii czułość na poziomie wektorowego pola magnetycznego może przekroczyć precyzję rzędu nanotesli. Pomiary z tak dużą precyzją to końcowy, wyznaczony na przyszły rok cel w projekcie QUANTUM METROLOGY.
Słowa kluczowe
Pojedyncze spiny, centra azot-wakancja, diament, monopol magnetyczny, metrologia kwantowa
