다이아몬드 컷 정밀도 : 중성자 실험 및 양자정보과학용 다이아몬드 센서 개발

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 핵물리학 그룹은 강력이라 불리는 상호 작용과 함께 원자핵을 결합하는 전기적으로 중성인 입자인 중성자에서 새로운 물리학의 증거를 찾고 있습니다. 교수진과 연구원들은 중성자가 중성임에도 불구하고 전기장과 상호 작용할 수 있게 하는 특성인 중성자의 전기 쌍극자 모멘트를 측정하는 Oak Ridge 국립 연구소의 nEDM 실험에 참여하고 있습니다. 정확한 측정은 입자 물리학의 현재 표준 모델을 확장하는 이론을 제한합니다. 이를 달성하기 위해 연구자들은 매우 강한 전기장의 미묘한 변화를 정확하게 측정해야 합니다.

물리학 교수인 Douglas Beck은 저온에서의 양자 특성으로 인해 전기장에 매우 민감한 물질인 질소 공극 다이아몬드를 기반으로 한 센서를 개발하기 위해 에너지부로부터 보조금을 받았습니다. 그의 연구 그룹은 이 물질이 강한 전기장을 측정할 수 있다는 것을 보여 주었으며, 이번 상을 통해 연구원들은 nEDM 실험에 사용할 준비가 된 센서를 구성할 수 있게 되었습니다. 또한, 이 물질의 양자 특성으로 인해 양자 정보 과학의 유망한 후보가 되었습니다. 연구원들은 또한 이러한 잠재적인 응용 분야를 탐색할 것입니다.

Beck은 화학적으로 첨가된 질소 공극(NV) 불순물이 다이아몬드에 특이한 전기장 감도를 제공한다고 설명했습니다. "이러한 불순물은 일반적으로 탄소 원자가 있는 곳에 여분의 질소 원자와 구멍(또는 빈 공간)이 있는 영역입니다."라고 그는 말했습니다. "재료가 절대 영도보다 20도 미만으로 냉각되면 불순물이 전기장에 반응하는 양자 시스템을 형성합니다. 이는 전기장에 반응하는 시스템이 많지 않기 때문에 매우 특이한 특성이며 이것이 NV 다이아몬드를 특별하게 만듭니다."

NV 시스템은 특정 양자 상태로 준비되면 더욱 민감하게 만들어질 수 있습니다. 연구진은 시스템을 냉각시킨 후 가장 낮은 에너지 상태를 유지하는 대신 암흑 상태(dark state)라고 불리는 가장 낮은 에너지 상태와 그 다음으로 낮은 에너지 상태의 양자 중첩을 형성했습니다. 이는 빛과 상호 작용하지 않기 때문에 그렇게 명명되었습니다. Beck은 “어떤 의미에서 그 이름은 환경과의 상호작용에 영향을 받지 않는다는 것을 의미하는 것”이라고 말했습니다. "그것은 수명이 길기 때문에 전기장이 얼마나 큰지 매우 정확하게 알려주는 매우 예리하게 정의된 에너지를 가지고 있습니다."

Beck의 그룹은 이 현상을 통해 NV 다이아몬드가 강한 전기장을 측정할 수 있음을 입증했으며, 이번 상을 통해 연구원들은 이를 기반으로 신뢰할 수 있고 견고한 센서를 개발할 수 있게 되었습니다. 여기에는 센서를 제어하는 ​​데 사용되는 레이저와 쉽게 연결되고 배경 소음의 영향을 최소화하는 장치에 센서를 패키징하는 작업이 포함됩니다. Beck에 따르면 그들은 또한 실험적 불완전성의 효과를 효과적으로 되돌릴 수 있는 동적 디커플링이라는 양자 기술을 연구하고 있습니다. 이렇게 하면 이미 정밀한 전기장 측정이 더욱 정확해집니다.

연구의 또 다른 목표는 양자 정보 과학에서 NV 다이아몬드를 사용하기 위한 제안을 탐색하는 것입니다. 암흑 상태의 긴 수명과 환경 소음에 대한 탄력성은 양자 감지 및 양자 메모리를 위한 유망한 플랫폼이 됩니다. 이러한 많은 응용 분야는 하이젠베르크 원리에서 허용하는 최소 불확실성을 보유하는 압착 상태에 양자 시스템을 배치하는 데 의존합니다. NV 다이아몬드에 압착된 상태를 생성하기 위한 여러 가지 제안이 있었고 Beck의 그룹은 그 타당성을 조사할 것입니다.

이 연구는 에너지부 핵물리학 프로그램의 Quantum Horizons 이니셔티브에서 수여하는 3년에 걸쳐 650,000달러의 지원을 받을 것입니다.

일리노이대학교 그레인저 공과대학 제공