Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir das unsichtbare magnetische Flüstern einer einzelnen Zelle sehen oder die winzigen elektrischen Ströme sehen können, die durch ein Neuron fließen können, und das alles, ohne das Subjekt zu berühren. Dies ist das Versprechen des Quantensensorik, eines Feldes, das die seltsamen, fragilen Regeln der Quantenwelt nutzt, um Detektoren zu bauen, die weita viel empfindlicher sind als alles, was wir heute besitzen. Das Herzstück dieser Revolution sind winzige Defekte in Diamanten, die als Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (Nitrogen-Vacancy Centers) bekannt sind. Stellen Sie sich diese als fehlende Teile im atomaren Gitter eines Diamanten vor, die ein zusätzliches Elektron eingefangen haben, wodurch der Punkt in ein mikroskopisches Magnetometer verwandelt wird, das magnetische Felder mit unglaublicher Präzision spüren kann. Diese Sensoren funktionieren selbst bei Raumtemperatur, eine seltene Leistung für Quantengeräte, und sie können so klein gemacht werden, dass sie theoretisch das Magnetfeld eines einzelnen Moleküls messen könnten. Es gab jedoch ein langjähriges Problem, das sie zurückhielt: Um ein starkes genug Signal zum Messen zu erhalten, müssen Wissenschaftler normalerweise eine große Gruppe dieser Defekte betrachten, aber das Betrachten einer großen Gruppe verschwimmt das Bild und macht es unmöglich, feine Details zu sehen. Umgekehrt liefert das Betrachten eines einzelnen Defekts ein scharfes Bild, aber ein sehr schwaches Signal.

Ein Forscherteam der University of Calgary hat einen Weg gefunden, diesen Zielkonflikt zu lösen. Sie haben einen neuen Typ von Sensor gebaut, der die Schärfe eines winzigen Sensors mit der Stärke einer großen Gruppe kombiniert. Sie nahmen einen Diamantchip, der mit einer hohen Dichte dieser Stickstoff-Fehlstellen-Zentren gepackt war, und schnitzten ihn zu einer mikroskopischen Scheibe, die nicht breiter als ein menschliches Haar ist. Diese Scheibe wirkt wie eine Flüstergalerie für Licht, die Photonen in einem Kreis einfängt, sodass sie viele Male hin und her springen, bevor sie entweichen. Indem sie eine dünne, konische Glasfaser ganz nah an den Rand dieser Scheibe brachten, konnten sie Licht hineinschicken und das austretende Licht sammeln, ohne sperrige Linsen oder Spiegel zu verwenden. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen, tausende der Diamantdefekte gleichzeitig anzuregen, während sie gleichzeitig die Sensorfläche extrem klein hielten. Das Ergebnis ist ein Gerät, das sowohl hochsensibel als auch in der Lage ist, Details auf der Skala von Mikrometern zu sehen, und das dennoch nur durch eine winzige Menge an Laserlicht betrieben wird und durch eine einzige Glasfaser mit der Außenwelt verbunden ist.

Die Forscher testeten diese neue Plattform, indem sie Magnetfelder mit einer Technik namens Ramsey-Magnetometrie maßen, bei der präzise Licht- und Mikrowellenpulse verwendet werden, um den Zustand der Elektronen des Diamanten auszulesen. Sie fanden heraus, dass ihr Gerät Magnetfelder mit einer Empfindlichkeit von 58 Nanotesla pro Quadratwurzel Hertz detektieren konnte. Dies ist die empfindlichste Messung, die jemals für ein auf einem Chip mittels Nanofabrikationstechnik gebautes Magnetometer berichtet wurde. Um dies einzuordnen: Obwohl es noch nicht empfindlich genug ist, um das leiseste magnetische Flüstern eines einzelnen Atoms zu erfassen, ist es ein gewaltiger Sprung nach vorn für ein Gerät, das so klein und integriert ist. Das Team zeigte, dass der Sensor nur durch das fundamentale Rauschen der Lichtteilchen selbst begrenzt ist, was bedeutet, dass er so gut arbeitet, wie es die Physik mit dem aktuellen Design erlaubt. Sie zeigten auch, dass die Diamantdefekte innerhalb der winzigen Scheibe ihren Quantenzustand für eine überraschend lange Zeit halten konnten, selbst nach dem harten Prozess des Schneidens der Scheibe, was darauf hindeutet, dass das Gerät robust genug für den realen Einsatz ist.

Was diese Errungenschaft besonders bedeutsam macht, ist die Art und Weise, wie sie das Problem der Skalierung löst. Frühere Versuche, diese Sensoren klein zu machen, erforderten oft komplexe, freistehende optische Ausrüstungen, die schwierig zu handhaben oder in andere Systeme zu integrieren waren. Dieses neue Design, das eine Faser nutzt, um mit dem Sensor zu kommunizieren, öffnet die Tür zur Erstellung von Arrays dieser Geräte auf einem einzigen Chip. Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der ein Mikrochip, der mit Hunderten dieser Sensoren bedeckt ist, die Magnetfelder einer biologischen Probe kartiert, die durch einen winzigen Kanal fließt, oder in der ein kompaktes Gerät die magnetischen Muster auf einem Computerchip mit beispielloser Detailgenauigkeit abbildet. Die Forscher merkten an, dass das Gerät mechanisch stabil ist und das Waschen mit Flüssigkeiten übersteht, was es für die Untersuchung lebender Zellen oder Flüssigkeiten geeignet macht. Während die aktuelle Version noch Raum für Verbesserungen in der Effizienz der Lichtsammlung bietet, ist der Weg nach vorn klar. Durch die Verfeinerung der Art und Weise, wie Licht in den Diamanten eingekoppelt wird, und durch die Verwendung noch reinerer Diamantmaterialien könnte sich die Empfindlichkeit potenziell um weitere hundertmal verbessern, was uns näher an die Fähigkeit bringt, Kernspinresonanzspektroskopie an Proben kleiner als ein Tropfen Wasser durchzuführen.

Die Arbeit enthüllte auch, dass der Prozess der Herstellung dieser winzigen Scheiben die empfindlichen Quanteneigenschaften des Diamanten nicht so sehr beschädigt hat, wie befürchtet. Indem sie maßen, wie lange die Quantenzustände anhielten, bestätigte das Team, dass der Herstellungsprozess nur sehr wenig Spannung in das Material eingebracht hat. Dies ist entscheidend, da Spannung die Fähigkeit des Sensors beeinträchtigen kann, genau zu messen. Sie fanden heraus, dass sich die Defekte innerhalb der Scheibe fast exakt so verhielten wie in einem großen, ungeschnittenen Stück Diamant, was beweist, dass die Nanofabrikationstechniken mit hochpräziser Quantensensorik kompatibel sind. Das Team nutzte eine Lock-in-Verstärkungstechnik, um Hintergrundrauschen zu filtern, was es ermöglichte, selbst in einer verrauschten Umgebung ein klares Signal zu extrahieren. Diese Methode, kombiniert mit der Fähigkeit, einen Laser mit geringer Leistung zu verwenden, bedeutet, dass der Sensor arbeiten kann, ohne die empfindlichen Proben, die er untersuchen soll, zu erwärmen oder zu beschädigen.

Mit Blick auf die Zukunft sehen die Forscher eine Zukunft, in der diese Sensoren nicht nur Laborkuriositäten, sondern praktische Werkzeuge für die Biologie und Materialwissenschaft sind. Da der Sensor so klein ist und sehr nah an eine Probe gebracht werden kann, könnte er verwendet werden, um die magnetischen Felder zu messen, die vom Herzen oder dem Nervengewebe erzeugt werden, mit einer Auflösung, die derzeit unmöglich ist. Die Fähigkeit, diese Sensoren mit anderen photonischen Komponenten auf einem Chip zu integrieren, bedeutet, dass sie massengefertigt und in tragbaren Geräten eingesetzt werden können. Das Paper kommt zu dem Schluss, dass diese Plattform einen bedeutenden Schritt in Richtung Quantensensorik der nächsten Generation darstellt und eine Kombination aus Größe, Empfindlichkeit und Integrationspotenzial bietet, wie man sie bisher nicht gesehen hat. Indem sie bewiesen haben, dass eine fasergekoppelte On-Chip-Diamant-Resonanzstruktur eine solch hohe Empfindlichkeit erreichen kann, hat das Team einen Bauplan für eine neue Klasse von Instrumenten geliefert, die unsere Beobachtung der magnetischen Welt verändern könnten.