Low-field dephasing time of an optically polarized NV spin bath beyond the P1 limit in diamond: a cluster-correlation-expansion and exact spin-bath study
Questo studio dimostra che la polarizzazione ottica di un bagno di spin NV denso in diamante ricco di azoto estende significativamente il tempo di dephasing a basso campo di un sensore oltre il limite convenzionale P1, con il vantaggio che risulta più pronunciato a bassi campi magnetici (ad es. 25 G) dove il bagno polarizzato diventa quasi silenzioso, ma diminuendo all'aumentare del campo.
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Il diamante non è solo una gemma; per gli scienziati, è una finestra sul mondo quantistico. All'interno di certi diamanti, minuscoli difetti chiamati centri azoto-vacanza agiscono come sensori magnetici incredibilmente sensibili. Questi difetti sono essenzialmente singoli atomi con un vicino mancante, creando un punto in cui un elettrone può essere intrappolato e manipolato. Facendo incidere un laser verde sul diamante, i ricercatori possono costringere questi elettroni in uno stato specifico e poi leggerli per rilevare campi magnetici con straordinaria precisione. Più di questi sensori vengono concentrati in un diamante, migliore diventa il dispositivo nel rilevare segnali deboli. Tuttavia, c'è un problema. I diamanti contengono spesso altre impurità magnetiche, nello specifico atomi di azoto che non si sono formati in sensori. Questi atomi vagabondi agiscono come una folla rumorosa, che spinge continuamente i sensori e causa loro la perdita di concentrazione, un processo noto come defasamento. Più la folla è rumorosa, più breve è il tempo in cui i sensori possono mantenere l'attenzione, il che limita quanto bene il dispositivo possa misurare.
Un ricercatore dell'Università di Tsukuba ha indagato un modo intelligente per zittire questa folla. Si è chiesto cosa sarebbe successo se gli atomi di azoto rumorosi non fossero lasciati così come sono, ma venissero invece convertiti in parte proprio di quei sensori che stavano cercando di proteggere. Se questi nuovi sensori vengono poi allineati perfettamente usando un laser, potrebbero smettere di agire come una folla rumorosa e invece diventare silenziosi. Il ricercatore ha utilizzato potenti simulazioni al computer per testare questa idea, modellando come si comporterebbe un diamante pieno di questi sensori allineati rispetto a uno pieno dei soliti atomi di azoto rumorosi. Ha scoperto che la risposta dipende interamente dalla forza del campo magnetico utilizzato per mantenere i sensori in posizione.
In un campo magnetico debole, la strategia funziona in modo straordinario. Quando il campo è debole, i sensori che non puntano nella stessa direzione del campo diventano quasi invisibili al rumore che di solito creano. In questo scenario, un diamante dove l'azoto è stato convertito in sensori allineati e poi polarizzato da un laser permette al sensore principale di mantenere la concentrazione per un tempo molto più lungo. Le simulazioni hanno mostrato che a una forza di campo di 25 Gauss, il sensore poteva mantenere la concentrazione per 112 microsecondi, ovvero sei volte più a lungo di quanto potesse fare in un diamante pieno dei solni atomi di azoto rumorosi. Anche se l'allineamento con il laser non è perfetto, raggiungendo il 90 percento di allineamento, il sensore dura comunque più del doppio rispetto a quanto farebbe con la folla rumorosa. Ciò suggerisce che, per certi tipi di misurazioni, trasformare il rumore in un gruppo allineato e silenzioso è un modo potente per migliorare la sensibilità.
Tuttavia, il beneficio non dura man mano che il campo magnetico diventa più forte. Man mano che il campo aumenta a 300 Gauss, il vantaggio diminuisce e, a 800 Gauss, i sensori allineati diventano effettivamente peggiori degli atomi di azoto rumorosi. La ragione risiede nel modo in cui i sensori si comportano quando non sono perfettamente allineati con il campo. In un campo forte, anche i sensori che puntano in una direzione diversa sono costretti a sviluppare una forza magnetica lungo la linea del campo. Quando il laser li allinea, li costringe tutti a puntare nella stessa direzione, creando un campo magnetico forte e uniforme che in realtà disturba il sensore principale più di quanto farebbe il comune ronzio degli atomi di azoto rumorosi. Le simulazioni hanno rivelato che a 800 Gauss, i sensori allineati causano il defasamento del sensore principale più velocemente della folla rumorosa originale, invertendo efficacementamente il beneficio.
Il ricercatore ha anche esaminato quanto tempo i sensori possono mantenere un tipo specifico di eco, una tecnica utilizzata per cancellare parte del rumore. Qui, la storia è leggermente diversa. Sebbene il tempo di concentrazione iniziale sia ottimale a campi bassi, la capacità di mantenere l'eco migliora man mano che il campo diventa più forte, fino a un certo punto. Questo accade perché il campo magnetico forte aiuta a bloccare i sensori in posizione, impedendo loro di scambiare energia tra di loro in un modo che rovinerebbe la misurazione. Tuttavia, esiste un limite imposto dal tempo stesso. A temperatura ambiente, l'allineamento creato dal laser non dura per sempre; i sensori tornano naturalmente a uno stato casuale in pochi millisecondi. Questo rilassamento crea un nuovo tipo di rumore che alla fine limita quanto a lungo il sensore può lavorare, indipendentemente da quanto fosse allineato. Le simulazioni indicano che, affinché il trucco dell'allineamento funzioni al meglio, il diamante deve avere un'altissima concentrazione di sensori e il laser deve allinearli quasi perfettamente, specialmente se il campo magnetico è debole.
Lo studio conclude che la strada verso sensori a diamante migliori comporta un equilibrio attento. Per le misurazioni più rapide, un campo magnetico debole è ideale, permettendo ai sensori allineati di diventare quasi silenziosi. Per misurazioni più lunghe e complesse, un campo più forte aiuta, ma solo se i sensori sono distinti dal rumore che dovrebbero silenziare. Il ricercatore suggerisce che la configurazione migliore potrebbe prevedere un diamante in cui una piccola frazione dei sensori sia composta da un tipo leggermente diverso di azoto, permettendo loro di essere bersagliati da specifiche onde radio mentre il resto del diamante rimane uno sfondo silenzioso e allineato. Questo lavoro fornisce un insieme chiaro di regole per gli ingegneri che costruiscono questi dispositivi: per ottenere il massimo da un sensore a diamante, bisogna scegliere il campo magnetico giusto e assicurarsi che il rumore di fondo non sia solo silenziato, ma trasformato in qualcosa che non interferisca.
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