Fig. 1 Dinamica e controllo di un singolo centro NV. (A) Schema di un singolo centro NV in diamante. È pilotato da vari raggi laser e controllato coerentemente da impulsi MW e RF. Squared:laser verde quadrato a 532 nm per la lettura dello spin dell'elettrone NV e degli stati di carica di miscelazione; tritato:sequenza laser tagliata per una migliore polarizzazione dello spin dell'elettrone senza distruggere lo stato di carica; forte:forte (4 μW) laser arancione da 594 nm per la lettura dello stato di carica in feedback in tempo reale; debole:laser arancione debole (0,18 μW) per la lettura a colpo singolo dello stato di carica. Lo spin dell'elettrone NV (S =1), il relativo spin nucleare 14N (I =1), e uno degli spin nucleari 13C distribuiti casualmente (I =1/2) costituiscono l'interferometro. (B) Diagrammi di livello degli stati NV negativi e neutri indicati da NV- e NV0 e le corrispondenti dinamiche guidate dal laser verde a 532 nm e dal laser arancione a 594 nm. (C) Struttura a livello di spin dello stato fondamentale della tripletta NV−. Gli impulsi MW e RF vengono utilizzati per manipolare coerentemente lo spin dell'elettrone NV e due spin nucleari (14N e 13C). (D) Misura proiettiva dello spin nucleare 13C. La linea tratteggiata indica la soglia per determinare in quale stato si trova. Credito:DOI:10.1126/sciadv.abg9204
Molte misurazioni sono limitate dal limite quantistico standard (SQL). SQL è definito come i livelli di rumore misurati impostati dalla meccanica quantistica. L'entanglement quantistico può essere utilizzato per battere SQL e avvicinarsi a un limite ultimo chiamato limite di Heisenberg (HL). Le misurazioni Sub-SQL sono state realizzate in molti sistemi in condizioni estreme e i sensori in questi sistemi non sono adatti per misurazioni realistiche in condizioni ambientali.
I centri di azoto vacante (NV) nel diamante possono essere utilizzati come sensori per la risonanza magnetica nucleare e di elettroni. Possono funzionare bene in condizioni ambientali grazie alla protezione del solido reticolo cristallino. Un intero processo di misurazione sub-SQL basato su un singolo centro NV include l'inizializzazione degli spin NV, impigliamento in condizioni ambientali, rilevamento di grandezze fisiche, e lettura dei risultati. Sono ora emerse difficoltà sull'inizializzazione e sull'entanglement di NV.
Un team di ricerca guidato dal Prof. Du Jiangfeng della University of Science and Technology of China (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze ha realizzato una misurazione sub-SQL in condizioni ambientali con centri NV in diamante, e ha scoperto che l'uso di sensori aggrovigliati può battere SQL e realizzare misurazioni più accurate. Questo studio è stato pubblicato in Progressi scientifici .
I ricercatori hanno applicato una tecnica di feedback in tempo reale per inizializzare gli spin a uno stato altamente puro, e ottenuto l'inizializzazione congiunta dello stato di carica NV, spin dell'elettrone, e due spin nucleari ad alta fedeltà.
Hanno sostituito il laser a impulsi quadrati con una sequenza laser tagliata per la polarizzazione dello spin degli elettroni, migliorando la fedeltà laser corrispondente dal 90% al 97,7%.
Inoltre, i ricercatori hanno ottimizzato le configurazioni degli esperimenti per controllare meglio le condizioni sperimentali. Attraverso una configurazione sofisticata per l'isolamento termico e i relativi parametri PID (proporzione-integrazione-differenziazione) per il feedback, hanno realizzato una fluttuazione di temperatura relativamente bassa di 0,5 mK durante gli esperimenti e un campo magnetico altamente stabile con la volatilità di 1 ppm.
Questo lavoro apre nuove prospettive per lo studio dei sistemi di spin allo stato solido, e pone le basi per il rilevamento e il calcolo quantistico.
