Direct Observation of Dipolar-Driven Anisotropic Quantum Projection Noise in a Solid-State Spin Ensemble

In de zoektocht naar het bouwen van betere sensoren, kijken wetenschappers vaak naar de kwantumwereld, waar deeltjes zich op manieren gedragen die de alledaagse intuïtie tarten. Een van de meest veelbelovende instrumenten voor dit werk is een minuscuul defect dat wordt gevonden in diamanten, bekend als een stikstof-vacaturecentrum. Stel je een diamantkristal voor waarin een koolstofatoom ontbreekt en is vervangen door een stikstofatoom naast een lege ruimte. Dit specifieke defect werkt als een microscopisch magneetje dat met licht kan worden afgelezen en gecontroleerd. Omdat deze defecten hun kwantumtoestand voor een lange tijd kunnen vasthouden en gemakkelijk te manipuleren zijn met lasers, zijn ze een standaardwerkpaard geworden voor het meten van magnetische velden en temperaturen op de schaal van individuele cellen of materialen.

Om deze sensoren nog krachtiger te maken, hebben onderzoekers lang geprobeerd om tegelijkertijd grote groepen, of ensembles, van deze diamantdefecten te gebruiken. De logica is simpel: als één sensor goed is, zouden duizend sensoren duizend keer beter moeten zijn. Er zit echter een addertje onder het gras. Wanneer je deze sensoren dicht bij elkaar propt, beginnen ze met elkaar te communiceren via magnetische krachten, wat meestal de informatie die ze proberen te meten, verstoort. Bovendien houdt het uitlezen van de toestand van deze sensoren meestal het tellen van fotonen, of lichtdeeltjes, in, wat een fundamentele wazigheid introduceert die bekend staat als ruis. Voor een lange tijd leek het onmogelijk om een dichte groep van deze sensoren uit te lezen zonder dat deze ruis de delicate kwantumsignalen overstemde, of zonder dat de interacties van de sensoren zelf de meting verpestten.

Een team van onderzoekers heeft nu succesvol dit moeilijke gebied betreden. Ze demonstreerden een manier om een dichte, tweedimensionale laag van deze diamantdefecten met een dergelijke precisie uit te lezen dat ze de fundamentele kwantumruis van de groep zelf konden zien. Belangrijker nog, ze zagen hoe de natuurlijke magnetische interacties van de sensoren, die voorheen als een probleem werden beschouwd, de ruis op een voorspelbare manier vormgaven. Door een slimme methode te gebruiken die inhoudt dat dezelfde sensor vele malen in snelle opeenvolging wordt uitgelezen, verbeterden ze hun vermogen om het signaal van de ruis te onderscheiden met bijna tien keer vergeleken met standaardmethoden. Dit stelde hen in staat om een specifiek kwantumeffect te observeren waarbij de onzekerheid van de toestand van de groep wordt uitgerekt en samengeperst tot een ovale vorm, in plaats van een perfecte cirkel te blijven.

Het experiment vond plaats in een laboratorium waar een dunne laag diamant, slechts ongeveer zeven nanometer dik, werd voorbereid met een hoge concentratie van deze defecten. De onderzoekers richtten zich op vier verschillende plekken op dit vel, elk met een ander aantal defecten, variërend van ongeveer 40 tot bijna 230 in de minuscule gebieden die zij observeerden. Om de toestand van deze defecten uit te lezen, gebruikten ze een laser om de elektronen te exciteren, maar ze stuitten op een uitdaging: het licht dat wordt gebruikt om de toestand uit te lezen, heeft ook de neiging om het systeem te resetten, wat het aantal keren dat men het kan controleren beperkt. Om dit te omzeilen, gebruikten ze de kern van het stikstofatoom zelf als geheugenbank. Ze zouden de informatie van het elektron naar de kern overdragen, het elektron uitlezen, en de informatie vervolgens weer terug naar het elektron overdragen, en deze cyclus keer op keer herhalen.

Om dit repetitieve uitlezen effectief te laten werken, plaatste het team de diamant in een magnetisch veld van ongeveer 0,3 Tesla. Dit veld was cruciaal omdat het de natuurlijke verval van het nucleaire geheugen vertraagde, waardoor ze het uitleesproces in sommige gevallen meer dan 100 keer konden herhalen. Door de resultaten van deze vele metingen te middelen, konden ze het willekeurige flikkeren van het licht zelf wegfilteren en de ware kwantumruis van de spin-groep isoleren. Ze bevestigden dat deze ruis zich exact gedraagt zoals de kwantumtheorie voorspelt voor een groep deeltjes, waarbij de ruis in een specifiek patroon oscilleert terwijl ze de oriëntatie van de spins veranderen.

Zodra ze deze ruis duidelijk konden zien, richtten ze hun aandacht op wat er gebeurde wanneer de defecten aan elkaar werden toegelaten om met elkaar te interageren. Ze bereidden de groep voor in een specifieke toestand en lieten deze vervolgens natuurlijk evolueren. Omdat de defecten zo dicht bij elkaar gepakt zitten in een platte laag, interageren ze sterk met elkaar. De onderzoekers observeerden dat deze interactie de circulaire onzekerheidswolk die de toestand van de groep vertegenwoordigt, deed afschuiven in een ellips. In simpelere termen: de ruis werd sterker in de ene richting en zwakker in de andere, wat een anisotrope, of richtingafhankelijke, profiel creëerde. Dit is een directe handtekening van de spins die om elkaar heen draaien.

Om te bewijzen dat dit draaien werd veroorzaakt door de magnetische interacties tussen de defecten en niet door een fout in hun meetapparatuur, voerden ze een controlexperiment uit. Ze pasten een andere sequentie van pulsen toe die ontworpen was om de magnetische interacties tussen de defecten te annuleren, terwijl ze de defecten tegelijkertijd beschermden tegen externe ruis. Toen ze dit deden, verdween de anisotropie en bleef de ruis perfect circulair. Dit bevestigde dat de vervorming die zij zagen inder gegestuurd werd door de defecten die met elkaar communiceerden. Ze vergeleken ook plekken met verschillende dichtheden en ontdekten dat hoe dichter de groep, hoe sneller dit draai-effect optrad, wat overeenkwam met hun theoretische verwachtingen.

Dit werk is significant omdat het laat zien dat de zeer interacties die normaal gesproken gevoelige metingen verstoren, juist kunnen worden ingezet om kwantumruis te hervormen. Het vermogen om deze ruis direct te zien en te observeren hoe deze in realtime evolueert, opent de deur naar sensoren die preciezer zijn dan de standaardlimieten van de natuurkunde normaal gesproken toelaten. Hoewel de onderzoekers nog geen volledig 'gesqueezed state' hebben gecreëerd die de standaard kwantumlimiet verslaat, hebben zij de eerste directe observatie geleverd van het mechanisme dat daar toe leidt. Ze hebben aangetoond dat door een dichte groep sensoren te combineren met een hoogwaardige uitleesmethode, het mogelijk is om verder te gaan dan eenvoudige ruisreductie en in een regime te komen waar het collectieve gedrag van de groep kan worden ingenierd voor betere detectie.