Precisión de corte de diamante: desarrollo de sensores de diamante para experimentos de neutrones y ciencia de la información cuántica

El grupo de física nuclear de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign está buscando evidencia de nueva física en los neutrones, partículas eléctricamente neutras que mantienen unidos los núcleos atómicos con una interacción llamada fuerza fuerte. Los profesores e investigadores están participando en el experimento nEDM en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que medirá el momento dipolar eléctrico del neutrón, una propiedad que permite que los neutrones interactúen con los campos eléctricos a pesar de su neutralidad. Una medición precisa limitará las teorías que amplían el modelo estándar actual de física de partículas. Para lograr esto, los investigadores deben medir con precisión cambios sutiles en campos eléctricos muy fuertes.

El profesor de Física Douglas Beck ha recibido una subvención del Departamento de Energía para desarrollar sensores basados ​​en nitrógeno vacante de diamante, un material cuyas propiedades cuánticas a bajas temperaturas lo hacen inusualmente sensible a los campos eléctricos. Su grupo de investigación ha demostrado que el material puede medir fuertes campos eléctricos y el premio permitirá a los investigadores construir sensores listos para usar en el experimento nEDM. Además, las propiedades cuánticas del material lo convierten en un candidato prometedor para la ciencia de la información cuántica. Los investigadores también explorarán estas posibles aplicaciones.

Beck explicó que las impurezas de vacante de nitrógeno añadidas químicamente, o NV, dan al diamante una sensibilidad inusual al campo eléctrico. "Estas impurezas son regiones con un átomo de nitrógeno extra y un agujero [o vacante] donde normalmente estarían los átomos de carbono", dijo. "Cuando el material se enfría a menos de 20 grados por encima del cero absoluto, las impurezas forman un sistema cuántico que responde a los campos eléctricos. Esta es una característica bastante inusual porque no muchos sistemas responden a los campos eléctricos, y eso hace que el diamante NV sea especial".

El sistema NV puede hacerse aún más sensible cuando se prepara en un estado cuántico particular. En lugar de dejar que el sistema permanezca en su estado de energía más bajo después de que lo enfríen, los investigadores forman una superposición cuántica de los estados de energía más bajo y siguiente más bajo llamado estado oscuro, llamado así porque no interactúa con la luz. "En cierto sentido, el nombre pretende sugerir que es inmune a las interacciones con el medio ambiente", dijo Beck. "Debido a que es de larga duración, tiene una energía muy definida que nos dice con mucha precisión qué tan grande es el campo eléctrico".

El grupo de Beck ha demostrado que este fenómeno permite que el diamante NV mida fuertes campos eléctricos, y el premio permitirá a los investigadores desarrollar sensores fiables y robustos basados ​​en él. Esto implicará empaquetar sensores en unidades que se conecten fácilmente con los láseres utilizados para controlarlos y minimizar los efectos del ruido de fondo. También están investigando una técnica cuántica llamada desacoplamiento dinámico que les permitiría revertir efectivamente los efectos de las imperfecciones experimentales, según Beck. Esto haría que las mediciones del campo eléctrico, que ya son precisas, sean aún más precisas.

Otro objetivo de la investigación es explorar propuestas para el uso de diamantes NV en la ciencia de la información cuántica. La larga vida útil y la resiliencia del estado oscuro contra el ruido ambiental lo convierten en una plataforma prometedora para la detección cuántica y la memoria cuántica. Muchas de estas aplicaciones dependen de colocar sistemas cuánticos en estados comprimidos que posean la incertidumbre mínima permitida por el principio de Heisenberg. Ha habido varias propuestas para crear estados comprimidos en el diamante NV, y el grupo de Beck estudiará sus viabilidades.

Este trabajo será apoyado con $650,000 durante tres años otorgados por la iniciativa Quantum Horizons en el programa de Física Nuclear del Departamento de Energía.

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois