墨尔本科学家利用金刚石自旋提高量子精度(附图

2018-01-05 15:26

  中国机械工业联合会机经网发布时间:2017-08-16 15:39:00 来源:中国超硬材料网

  人类生活在一个噪杂的世界中,光、振动、电磁辐射和声音等各种干扰都会令人头疼不已;这种干扰会影响我们的睡眠,甚至对电子设备也会产生不良影响。

  对于研究微型和长距的物理学家来说,噪声就特别的“致命”,它直接影响着研究项目的成败。为降低噪声,往往需要大型昂贵的设备和解决方案。为了观察希格斯波色子中的微小信号,科学家们需要构建世界上最大的粒子加速器;为了观察引力波,科学家们需要构建世界上最长最敏感的尺子;而要观察最遥远的星系,则要向太空发射望远镜并避免来自大气噪声的干扰。

  而最新一期的Nature Physics上的一篇研究则避免了这种规模宏大的解决方案。墨尔本大学的一个研究团队研发出了一种利用量子传感器旋转的技术,实现了对噪声的降低。

  量子传感器具有高度敏感性,在磁共振成像(MRI)技术领域可以实现细胞和蛋白质内微小结构的成像与观测。

  一种最具应用前景的量子传感器是金刚石中的氮空位中心(NV中心)。NV中心是一种原子缺陷,一个氮原子替代了一个碳原子,从而是电子处于一种量子态。

  研究的第一作者、墨尔本大学物理系的Alexander Wood教授介绍到:一个电子实际上就是一个条形磁铁,有南北磁极之分。如果我们将一个电子放在磁场中,它就会快速旋转起来。

  但金刚石的NV中心里面的电子则不是唯一的磁体。金刚石中有两种类型的碳,多数为碳12。每100个碳原子中就有1个碳13,它有一个额外的中子。

  每个碳13的中子和电子一样,都类似一个条形磁铁。如果将其放入磁场内,它就会旋转起来。

  量子态依赖一种相干性的属性,相干性对环境中的噪声特别敏感,任何噪声都会引起量子态的损失;而保持量子态则比较困难。

  研究人员将金刚石量子传感器(NV中心,蓝色)固定在一个旋转轴上。图中网格图案表示金刚石的原子结构。金刚石大多为非磁体碳14,但也包含一少部分磁体碳13。绿色光束用来创建并读取量子态

  量子态非常的脆弱,特别是在磁场中一旦有任何波动,量子传感器就会发生相位偏移。鉴于此,要想利用NV系统作为纳米环境的量子传感器,就必须保持量子态的稳定。

  墨尔本大学量子传感器研究项目的教授Hollenberg将量子态比作气泡。“如果周围环境是‘多刺’的,那么量子态就不会持续太久;如果周围环境是‘少刺’的,那么量子态就会持续很久”。这就是微型尺寸和高度敏感性条件下 对NV中心周围的环境进行传感的基本原理。

  团队通过对整个设备系统的旋转来降低相位偏移带来的影响。碳13原子的旋转会造成磁场环境的不稳定,它们会和NV中心相互作用,从而影响相干性和传感能力。

  降低来自碳13的噪声可以增强量子传感器的敏感性,从而探索更为微观的世界现象。

  利用合成同位素纯碳12金刚石或者阻止碳13原子的自旋就可以实现这一点。而阻止碳13原子自旋时会产生一个问题,即NV中心的电子自旋也会被阻止;而这种电子自旋对于量子传感器是至关重要的一步。

  因此,为降低碳13的噪声,就需要诱使NV中心认为碳13的原子条形磁铁已经停止。为做到这一点,实验室的Robert Scholten教授采用了经典无力技术,让整个金刚石都高速旋转起来。

  通常所用的磁场中,NV中心的原子条形磁铁每秒钟旋转28亿次,而碳13每秒钟则旋转5000次。由于金刚石旋转的非常快,当把金刚石速度调整为每秒5000次时,NV中心的原子条形磁铁就不会受到影响。

  如果金刚石和碳13以同样的方向旋转,那么量子传感器就能感知到一个较慢的自旋(且伪磁场较小);而金刚石以相反方向旋转时(图中紫色所示),量子传感器能感知到一个较快的自旋(且伪磁场较大)

  此情况下碳13原子受到了影响。且由于NV中心和碳13都处于统一标准框架内,也即同样方向以每秒钟5000次速度旋转,这就意味着NV中心和碳13是相对静止的。

  将传感器和碳13置于同样的旋转帧,就可以有效地将传感器所感知到的磁场从碳13中有效的去除掉。

  副教授Martin介绍道:“我们现在的实验环境就是当你不进行旋转的时候,环境就显得‘多次’;而当你旋转的时候,环境就显得‘少刺’;这就增加了量子态的寿命。”

  据此可以推断,当金刚石以接近碳13原子的旋转速度时,就可以得到完美的量子精度。但研究人员在实际实验中发现并非如此。

  “我们倒是很期望传感器的量子性能够一直持续上涨,直至碳13的自旋在旋转帧中被冻结。但但我们接近冻结帧时,相干性开始出现下降;这主要是由于碳13原子开始相互反应的缘故,给系统增加了额外的噪声。”Wood教授解释道。

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