ダイヤモンドカット精度：中性子実験・量子情報科学用ダイヤモンドセンサーの開発

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の核物理学グループは、強い力と呼ばれる相互作用で原子核を保持する電気的に中性の粒子である中性子における新しい物理学の証拠を探している。 教員と研究者は、中性子の電気双極子モーメント、つまり中性子が中性であるにもかかわらず電場と相互作用することを可能にする特性を測定するオークリッジ国立研究所のnEDM実験に参加しています。 正確な測定は、素粒子物理学の現在の標準モデルを拡張する理論を制約します。 これを達成するには、研究者は非常に強い電場の微妙な変化を正確に測定する必要があります。

物理学のダグラス・ベック教授は、低温での量子特性により電界に対して異常に敏感になる物質である窒素空孔ダイヤモンドをベースにしたセンサーを開発するため、エネルギー省から助成金を獲得した。 彼の研究グループは、この材料が強い電場を測定できることを示しており、今回の受賞により、研究者はnEDM実験ですぐに使用できるセンサーを構築できるようになります。 さらに、この材料の量子特性により、量子情報科学の有望な候補となります。 研究者らは、これらの潜在的な応用も検討する予定です。

ベック氏は、化学的に添加された窒素空孔 (NV) 不純物がダイヤモンドに異常な電界感度を与えると説明しました。 「これらの不純物は、通常は炭素原子があるはずの場所に余分な窒素原子と穴（または空孔）がある領域です」と同氏は述べた。 「材料が絶対零度より20度未満に冷却されると、不純物は電場に応答する量子系を形成します。電場に応答する系は多くないため、これは非常に珍しい特性であり、それがNVダイヤモンドを特別なものにしています。」

NV システムは、特定の量子状態で準備されるとさらに感度が高くなります。 研究者らは、系を冷却した後、その最低エネルギー状態を維持するのではなく、ダーク状態と呼ばれる、最低エネルギー状態と次に最低エネルギー状態の量子重ね合わせを形成する。この状態は、光と相互作用しないことからこのように名付けられた。 「ある意味、この名前は、環境との相互作用の影響を受けないことを示唆することを意図している」とベック氏は語った。 「寿命が長いため、非常に明確に定義されたエネルギーを持ち、電場の大きさを非常に正確に教えてくれます。」

ベック氏のグループは、この現象によってNVダイヤモンドが強い電界を測定できることを実証しており、今回の受賞により、研究者らはこれに基づいた信頼性の高い堅牢なセンサーを開発できるようになるだろう。 これには、センサーを制御するために使用されるレーザーに簡単に接続できるユニットにセンサーをパッケージ化し、バックグラウンドノイズの影響を最小限に抑えることが含まれます。 ベック氏によると、彼らはまた、実験的不完全性の影響を効果的に逆転させることができる動的デカップリングと呼ばれる量子技術も研究しているという。 これにより、すでに正確な電界測定がさらに正確になるでしょう。

研究のもう 1 つの目標は、量子情報科学における NV ダイヤモンドの使用に関する提案を探索することです。 ダークステートはその長い寿命と環境ノイズに対する耐性により、量子センシングと量子メモリの有望なプラットフォームとなっています。 このようなアプリケーションの多くは、ハイゼンベルク原理で許容される最小限の不確実性を持つスクイーズド状態に量子システムを置くことに依存しています。 NV ダイヤモンドに圧搾状態を作成するためのいくつかの提案があり、ベックのグループはその実現可能性を調査する予定です。

この研究は、エネルギー省の核物理学プログラムの Quantum Horizo​​ns イニシアチブによって 3 年間で 65 万ドルが支援されます。

イリノイ大学グレンジャー工科大学提供