Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

Stel je een wereld voor waarin we de onzichtbare magnetische fluisteringen van een enkele cel kunnen zien, of de minuscule elektrische stromen die door een neuron stromen kunnen in kaart brengen, allemaal zonder het onderwerp aan te raken. Dit is de belofte van quantummeting, een vakgebied dat gebruikmaakt van de vreemde, fragiele regels van de quantumwereld om detectoren te bouwen die veel gevoeliger zijn dan alles wat we vandaag de dag hebben. In het hart van deze revolutie staan piepkleine defecten in diamant, bekend als stikstof-vacaturecentra. Denk aan deze als ontbrekende stukjes in het atomaire rooster van een diamant die een extra elektron hebben gevangen, waardoor de plek verandert in een microscopische magnetometer die magnetische velden met ongelooflijke precisie kan voelen. Deze sensoren werken zelfs bij kamertemperatuur, een zeldzame prestatie voor quantumapparaten, en ze kunnen zo klein worden gemaakt dat ze theoretisch het magnetische veld van een enkel molecuul zouden kunnen meten. Echter, een langdurig probleem heeft hen tegengehouden: om een sterk genoeg signaal te krijgen om te meten, moeten wetenschappers meestal naar een grote groep van deze defecten kijken, maar het kijken naar een grote groep vervaagt het beeld, waardoor het onmogelijk is om fijne details te zien. Omgekeerd geeft het kijken naar slechts één defect een scherp beeld, maar een zeer zwak signaal.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Calgary heeft een manier gevonden om deze afruil te doorbreken. Ze hebben een nieuw type sensor gebouwd dat de scherpte van een kleine sensor combineert met de kracht van een grote groep. Ze namen een chip van diamant vol met een hoge dichtheid van deze stikstof-vacaturecentra en sneden deze in een microscopische schijf, niet breder dan een menselijk haar. Deze schijf werkt als een 'whispering gallery' voor licht, waarbij fotonen in een cirkel worden gevangen zodat ze vele malen rondbouncen voordat ze ontsnappen. Door een dunne, taps toelopende optische vezel dicht bij de rand van deze schijf te brengen, waren ze in staat om licht in de schijf te schijnen en het uitgaande licht te verzamelen zonder gebruik te maken van volumineuze lenzen of spiegels. Deze opstelling stelde hen in staat om duizenden van de diamantdefecten tegelijk te exciteren terwijl het meetgebied extreem klein bleef. Het resultaat is een apparaat dat zowel zeer gevoelig is als in staat is om details op de schaal van micrometers te zien, terwijl het wordt aangedreven door een minimale hoeveelheid laserlicht en verbonden is met de buitenwereld via een enkele vezel.

De onderzoekers testten dit nieuwe platform door magnetische velden te meten met een techniek genaamd Ramsey-magnetometrie, wat het gebruik van precieze lichtpulsen en microgolven omvat om de staat van de elektronen in de diamant uit te lezen. Ze ontdekten dat hun apparaat magnetische velden kon detecteren met een gevoeligheid van 58 nanotesla per vierkantswortel hertz. Dit is de meest gevoelige meting die ooit is gerapporteerd voor een magnetometer gebouwd op een chip met behulp van nanofabricagetechnieken. Om dit in perspectief te plaatsen: hoewel het nog niet gevoelig genoeg is om de zwakste magnetische fluisteringen van een enkel atoom te detecteren, is het een enorme sprong voorwaarts voor een apparaat dat zo klein en geïntegreerd is. Het team toonde aan dat de sensor alleen wordt beperkt door de fundamentele ruis van de lichtdeeltjes zelf, wat betekent dat het presteert zoals de natuurkunde toestaat met het huidige ontwerp. Ze toonden ook aan dat de diamantdefecten binnen de kleine schijf hun quantumtoestand verrassend lang konden vasthouden, zelfs na het harde proces van het uitsnijden van de schijf, wat suggereert dat het apparaat robuust genoeg is voor echt gebruik.

Wat deze prestatie bijzonder significant maakt, is hoe het de oplossing biedt voor het opschalen. Eerdere pogingen om deze sensoren klein te maken, vereisten vaak complexe, vrijstaande optische apparatuur die moeilijk te gebruiken of te integreren was in andere systemen. Dit nieuwe ontwerp, dat een vezel gebruikt om met de sensor te communiceren, opent de deur naar het creëren van arrays van deze apparaten op een enkele chip. Stel je een toekomst voor waarin een microchip bedekt met honderden van deze sensoren de magnetische velden van een biologisch monster kan in kaart brengen dat door een minuscuul kanaal stroomt, of waar een compact apparaat de magnetische patronen op een computerchip met ongekende detail kan imageren. De onderzoekers merkten op dat het apparaat mechanisch sterk is en kan overleven bij het wassen met vloeistoffen, wat het geschikt maakt voor het bestuderen van levende cellen of vloeistoffen. Hoewel de huidige versie nog ruimte heeft voor verbetering in hoe efficiënt het licht wordt verzameld, is de weg vooruit duidelijk. Door de manier waarop licht in de diamant wordt gekoppeld te verfijnen en door nog zuiverdere diamantiermaterialen te gebruiken, zou de gevoeligheid potentieel nog honderd keer kunnen verbeteren, waardoor we dichter bij het vermogen komen om kernmagnetische resonantiespectroscopie uit te voeren op monsters die kleiner zijn dan een druppel water.

Het werk onthulde ook dat het proces van het maken van deze kleine schijven de delicate quantumeigenschappen van de diamant niet zozeer beschadigde als gevreesd. Door te meten hoe lang de quantumtoestanden duurden, bevestigde het team dat het fabricageproces zeer weinig spanning in het materiaal heeft geïntroduceerd. Dit is cruciaal omdat spanning het vermogen van de sensor om nauwkeurig te meten kan ruïneren. Ze vonden dat de defecten binnen de schijf bijna exact zo gedroegen als ze in een groot, ongesneden stuk diamant zouden doen, wat bewijst dat de nanofabricagetechnieken compatibel zijn met hoogprecisie quantummeting. Het team gebruikte een lock-in versterkingstechniek om achtergrondruis te filteren, waardoor ze een duidelijk signaal konden extraheren, zelfs in een lawaaierige omgeving. Deze methode, gecombineerd met het vermogen om met een laag vermogen van een laser te werken, betekent dat de sensor kan functioneren zonder de delicate monsters die hij bestudeerd te verwarmen of te beschadigen.

Vooruitblikkend zien de onderzoekers een toekomst waarin deze sensoren niet alleen laboratoriumcuriositeiten zijn, maar praktische instrumenten voor biologie en materiaalkunde. Omdat de sensor zo klein is en zeer dicht bij een monster geplaatst kan worden, zou hij gebruikt kunnen worden om de magnetische velden gegenereerd door hart- of zenuwweefsel te meten met een resolutie die momenteel onmogelijk is. Het vermogen om deze sensoren te integreren met andere fotonische componenten op een chip betekent dat ze op grote schaal geproduceerd en in draagbare apparaten gebruikt kunnen worden. Het artikel concludeert dat dit platform een belangrijke stap is naar de volgende generatie quantummeting, waarbij een combinatie van grootte, gevoeligheid en integratiepotentieel wordt geboden die voorheen ongezien was. Door te bewijzen dat een via vezel gekoppelde, op een chip gebaseerde diamantcaviteit een dergelijke hoge gevoeligheid kan bereiken, heeft het team een blauwdruk geleverd voor een nieuwe klasse instrumenten die de manier waarop we de magnetische wereld om ons heen observeren, kunnen transformeren.