Несовершенство кристаллической решётки, которое может служить носителем квантовых состояний, используемых в сенсорных приложениях.В физике твёрдого тела дефектом называется любое несовершенство в регулярном расположении атомов кристаллической решётки — отсутствующий атом, лишний атом или примесь. Дефект — это не просто недостаток: он может действовать как локализованная «ловушка» для электронов или спинов, создавая дискретные квантовые энергетические уровни, чрезвычайно чувствительные к внешним воздействиям, таким как магнитные поля, электрические поля или температура. Именно эта чувствительность делает дефекты столь ценными для квантовых сенсоров: они способны преобразовывать ничтожное физическое изменение в измеримый оптический или электрический сигнал.
Концепция дефектов решётки была введена в 1930-х годах Яковом Френкелем и Вальтером Шоттки, которые предположили, что тепловые флуктуации создают вакансии и межузельные атомы. Применение NV-центров в квантовых сенсорах было продемонстрировано в конце 2000-х годов группами из Штутгарта и Гарварда.
Типичный пример — азотно-вакансионный (NV) центр в алмазе, где атом углерода замещён азотом, а соседняя позиция пуста. Этот дефект обладает неспаренным электронным спином, который можно инициализировать и считывать с помощью света. Когда спин прецессирует в магнитном поле, его квантовое состояние изменяется в зависимости от напряжённости поля; измеряя состояние спина, можно определить магнитное поле с нанометровым пространственным разрешением. Другие дефекты, например вакансии в карбиде кремния, работают аналогично для электрических полей или температуры.
Квантовые сенсоры на основе дефектов используются в высокоразрешающей магнитометрии для картирования магнитных полей в материаловедении, в биологии для регистрации нейронной активности и в геофизике для измерения магнетизма горных пород.
Азотно-вакансионный центр в алмазе способен ощущать одиночный электронный спин с расстояния в несколько нанометров, что делает его одним из самых чувствительных магнитных зондов, когда-либо созданных.