Los conjuntos de espines en estado sólido son una plataforma prometedora para sensores cuánticos, pero su lectura ha estado limitada durante mucho tiempo por el ruido de disparo fotónico, que ahogaba el ruido cuántico intrínseco de los espines. A diferencia de los conjuntos atómicos, donde el ruido de proyección ya se ha superado, los sistemas de estado sólido permanecían en el límite fotónico. Este trabajo se inscribe en la línea de investigación sobre centros NV en diamante e información cuántica, donde trabajos vecinos exploran la memoria cuántica, el acoplamiento entre espines y la sensibilidad a campos eléctricos.
El experimento se realizó en un microscopio confocal casero a temperatura ambiente. Una lámina de diamante con una capa delgada de centros NV se colocó en un imán superconductor con un campo de 2,7 T. El control por microondas de los espines electrónicos a una frecuencia de 73 GHz se realizó a través de un resonador, y el control por radiofrecuencia de los espines nucleares se realizó mediante un alambre de cobre. La lectura se basa en el mapeo repetido del espín nuclear al espín electrónico, seguido de lectura óptica y reinicialización. El truco clave es la repetición múltiple del ciclo de lectura para acumular señal y suprimir el ruido fotónico.
Se logró una reducción del ruido de 3,8 dB por debajo del nivel de ruido de proyección térmico. Esto permitió observar directamente las fluctuaciones de un conjunto de 31(3) centros NV en el punto confocal. Se demostró la transición del límite fotónico al límite de proyección al aumentar el número de lecturas repetidas. El método permitió rastrear el ancho de la distribución de espines durante las oscilaciones de Rabi y distinguir fuentes de ruido correlacionadas y no correlacionadas. En experimentos de relaxometría y desacoplamiento dinámico se detectaron indicios de correlaciones espaciales causadas por una fuente de ruido común.
Este trabajo demuestra por primera vez la lectura de un conjunto de espines en estado sólido en el límite de ruido de proyección, algo que antes solo era posible en sistemas atómicos. Esto elimina una brecha fundamental entre los sensores cuánticos atómicos y los de estado sólido. La diferencia con los trabajos vecinos radica en el uso del método de lectura repetida asistida por núcleos en un conjunto mesoscópico bajo un campo magnético alto, lo que permitió superar el límite fotónico y medir directamente las fluctuaciones cuánticas.
El desarrollo futuro puede incluir la aplicación de exprimido de espines para reducir el ruido de proyección por debajo del límite cuántico estándar. Es posible crear un microscopio de campo amplio donde cada píxel registre la distribución de espines, lo que permitiría construir mapas de correlaciones. También es prometedor su uso en simulaciones cuánticas para extraer cumulantes de orden superior y observar estados de muchas partículas no gaussianos.
Los resultados mejorarán la sensibilidad de los sensores cuánticos basados en centros NV en varios órdenes de magnitud, lo que acelerará la RMN, la resonancia magnética, la magnetometría y la relaxometría. El método también es aplicable a la microscopía de señales correlacionadas en materiales magnéticos, transiciones de fase y diagnóstico de chips electrónicos.
Implementación de exprimido de espines en conjuntos mesoscópicos de estado sólido para superar el límite cuántico estándar. Desarrollo de microscopía de campo amplio con análisis píxel a píxel de las distribuciones de espines.
En la sensoría cuántica sigue abierta la cuestión de alcanzar y utilizar estados entrelazados en conjuntos de estado sólido a temperatura ambiente. Este trabajo proporciona una herramienta para la observación directa de efectos cuánticos colectivos, necesaria para verificar las teorías de la física de muchas partículas.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
En este trabajo se ha logrado una lectura directa sin destrucción del estado cuántico en un conjunto mesoscópico de centros NV en diamante a temperatura ambiente. El método de lectura repetida asistida por núcleos redujo el ruido en 3,8 dB por debajo del nivel de ruido de proyección térmico, lo que abre el acceso a las correlaciones internas de los espines.
Dónde está su fuerza
El logro clave es superar el ruido de disparo de fotones y alcanzar el límite de proyección en un sistema de estado sólido, algo que antes solo era posible en conjuntos atómicos.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Por qué puede importar
Alcanzar el límite de proyección en un conjunto de estado sólido abre el camino hacia la metrología mejorada cuánticamente y la observación directa de correlaciones de muchas partículas, lo que podría aumentar significativamente la precisión de los sensores cuánticos.
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.55, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
El número de centros NV en el punto confocal (31) se determinó a partir del nivel de ruido de proyección: este es el primer recuento directo de centros activos sin efectos destructivos.