Non-Gaussian Noise Magnetometry Using Local Spin Qubits

Al decennia lang hebben wetenschappers minuscule, op atomaire schaal werkende sensoren ontwikkeld die in staat zijn magnetische velden met ongelooflijke precisie te detecteren. Deze sensoren, vaak gebouwd van defecten in diamantkristallen bekend als stikstof-vacaturecentra, fungeren als microscopische kompasnaalden. Wanneer ze in de buurt van een materiaal worden geplaatst, kunnen ze de onzichtbare magnetische fluisteringen van de atomen binnenin waarnemen, waardoor ze onthullen hoe die atomen bewegen en interageren. Traditioneel hebben onderzoekers deze sensoren gebruikt om te luisteren naar het gemiddelde gezoem van magnetische ruis, een methode die goed werkt voor het begrijpen van hoe materialen reageren op kleine, lineaire duwtjes. Deze benadering gaat er echter van uit dat de ruis zich volgens een voorspelbaar, klokvormig patroon gedraagt, vergelijkbaar met de willekeurige fluctuaties van een menigte mensen die in verschillende richtingen lopen. In veel complexe kwantummaterialen breekt deze aanname echter. De magnetische fluctuaties kunnen wild, hobbelig en onvoorspelbaar zijn, en dragen verborgen informatie over hoe deeltjes interageren die de standaard "gemiddelde" meting simpelweg niet kan zien.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om naar deze complexe magnetische signalen te luisteren, waarbij ze verder gaan dan eenvoudige gemiddelden om het volledige, chaotische karakter van de ruis te vangen. In plaats van alleen de sterkte van het magnetische veld te meten, stelt hun methode wetenschappers in staat om de specifieke vorm van de ruisverdeling te meten, waardoor zij kunnen onthullen of de fluctuaties glad en Gaussisch of grillig en niet-Gaussisch zijn. Door een enkele atomaire sensor te gebruiken met een reeks zorgvuldig getimede magnetische pulsen, of door twee sensoren samen te laten werken, lieten de onderzoekers zien hoe ze deze hogere-orde patronen konden isoleren. Deze techniek fungeert als een nieuw soort microscoop, die niet alleen de grootte van de magnetische rimpelingen ziet, maar ook het verschil kan onderscheiden tussen een gladde golf en een chaotische spat, wat een direct venster biedt op het collectieve gedrag van kwantummaterie.

De kern van deze nieuwe aanpak ligt in de manier waarop de atomaire sensor wordt gemanipuleerd. In een standaardexperiment wordt een sensor voorbereid, een bepaalde tijd lang laten luisteren naar de magnetische omgeving, en vervolgens gemeten. Dit proces legt het totale effect van de ruis vast, maar mengt alles door elkaar, waardoor het onmogelijk wordt om te zeggen of de ruis afkomstig was van een eenvoudig, willekeurig proces of een complex, gecorreleerd proces. De onderzoekers realiseerden zich dat door specifieke sequenties van magnetische pulsen op de sensor toe te passen, ze de tijd voor de ruis op een gecontroleerde manier effectief konden terugdraaien. Stel je een sensor voor die naar het magnetische veld luistert, waarvan het geheugen vervolgens wordt omgedraaid, en die vervolgens weer luistert. Door de resultaten van het luisteren naar verschillende duur en in verschillende pulspatronen te vergelijken, kunnen de wetenschappers de eenvoudige, willekeurige achtergrondruis wiskundig scheiden van de complexe, gecorreleerde signalen die de ware aard van het materiaal onthullen.

Deze methode werd getest tegen twee verschillende modellen van magnetische ruis. Het eerste model betrof een verzameling onafhankelijke, kleine magnetische schakelaars die willekeurig heen en weer klappen. In dit scenario lieten de onderzoekers zien dat door de afstand tussen de sensor en de schakelaars te veranderen, of door te veranderen in hoe lang de sensor luistert, ze de ruis konden zien transformeren. Wanneer de sensor ver weg is of gedurende een lange tijd luistert, versmelten de vele onafhankelijke schakelaars en ziet de ruis er glad en voorspelbaar uit, volgens de bekende regels van de statistiek. Echter, wanneer de sensor heel dichtbij wordt gebracht of voor een korte tijd luistert, wordt de individuele, hobbelige aard van de schakelaars zichtbaar, en onthult de ruis zijn niet-Gaussische, onregelmatige karakter. Dit stelt wetenschappers in staat om direct te observeren hoe een systeem transformeert van een chaotische verzameling individuele delen naar een glad, collectief geheel.

Het tweede model onderzocht wat er gebeurt nabij een kritiek punt, zoals wanneer een magnetisch materiaal op de drempel staat om van staat te veranderen, zoals een magneet die zijn magnetisme verliest terwijl hij opwarmt. Op deze momenten worden de magnetische fluctuaties enorm groot en diep verbonden over grote afstanden. De onderzoekers hebben aangetoond dat hun techniek uniek geschikt is voor het bestuderen van deze kritieke fluctuaties. Omdat de methode ruis op specifieke afstanden en tijdschalen kan detecteren, kan het detecteren hoe de magnetische correlaties groeien naarmate het materiaal het kritieke punt nadert. In tegen tegenstelling tot andere methoden die deze details zouden vervagen, kan deze lokale sensorische benadering in kaart brengen hoe de ruis zich op verschillende schalen gedraagt, wat een gedetailleerd beeld geeft van hoe de interne structuur van het materiaal zichzelf reorganiseert.

Om deze metingen nog krachtiger te maken, beschrijft het artikel ook hoe men twee sensoren gelijktijdig kan gebruiken. Door twee atomaire sensoren bij elkaar te plaatsen en ze samen te meten, kunnen wetenschappers detecteren hoe de magnetische ruis op de ene locatie gecorreleerd is met de ruis op een andere locatie. Dit maakt het mogelijk om ruimtelijke patronen in de ruis te bestuderen, wat onthult hoe magnetische verstoringen door een materiaal reizen. De onderzoekers toonden aan dat door de twee sensoren te verstrengelen of simpelweg hun gecombineerde respons te meten, zij de niet-Gaussische correlaties kunnen isoleren die bestaan tussen verschillende delen van het materiaal. Dit opent de deur naar het bestuderen van hoe informatie en fluctuaties zich door kwantummaterialen verspreiden op manieren die voorheen onzichtbaar waren voor standaard sensoren.

De betekenis van dit werk strekt zich uit voorbij het simpelweg nauwkeuriger meten van ruis. Het biedt een nieuw instrument voor het begrijpen van de fundamentele wetten die kwantummaterialen beheersen. Veel van de meest interessante verschijnselen in de fysica, zoals het gedrag van supergeleiders of exotische magnetische toestanden, worden gedreven door complexe interacties die niet aan eenvoudige, lineaire regels voldoen. Door in staat te zijn om de hogere-orde details van magnetische ruis te meten, kunnen wetenschappers nu theorieën testen over hoe deze materialen zich gedragen in regimes waar de standaard fysica faalt. De onderzoekers suggereren dat deze techniek kan worden toegepast op een breed scala aan systemen, van de magnetische lagen in volgende generatie elektronische apparaten tot de complexe vloeistoffen die worden gevonden in hogetemperatuur-supergeleiders.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een routekaart om atomaire sensoren te transformeren in geavanceerde sondes van kwantumcomplexiteit. Het verplaatst het veld van simpelweg vragen "hoe sterk is de ruis?" naar vragen "hoe ziet de ruis eruit?" en "hoe gedraagt het zich?". Door deze vragen te beantwoorden, kunnen wetenschappers de verborgen regels ontdekken die bepalen hoe materie zich op de kleinste schaal gedraagt. Het vermogen om onderscheid te maken tussen eenvoudige willekeur en complexe, gecorreleerde chaos vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in ons vermogen om de kwantumwereld te verkennen en te begrijpen, en biedt een helderder zicht op de ingewikkelde dans van deeltjes die de materialen om ons heen vormen.