Fig. 1 Dinâmica e controle de um único centro NV. (A) Diagrama de um único centro NV em diamante. É acionado por vários feixes de laser e controlado de forma coerente por pulsos de MW e RF. Quadrado:laser verde de 532 nm ao quadrado para leitura do spin do elétron NV e estados de carga de mistura; chopped:sequência de laser picada para uma melhor polarização do spin do elétron sem destruir o estado de carga; forte:forte (4 μW) laser laranja de 594 nm para leitura do estado de carga em feedback em tempo real; fraco:laser laranja fraco (0,18 μW) para leitura única do estado de carga. O spin do elétron NV (S =1), o spin nuclear atendente 14N (I =1), e um dos spins nucleares 13C distribuídos aleatoriamente (I =1/2) constituem o interferômetro. (B) Diagramas de nível de estados NV negativo e neutro denotados por NV− e NV0 e a dinâmica correspondente conduzida pelo laser verde de 532 nm e o laser laranja de 594 nm. (C) Estrutura em nível de spin do estado fundamental do tripleto NV. Os pulsos de MW e RF são usados para manipular de forma coerente o spin do elétron NV e dois spins nucleares (14N e 13C). (D) Medição projetiva do spin nuclear 13C. A linha tracejada indica o limite para determinar em qual estado ele permanece. Crédito:DOI:10.1126 / sciadv.abg9204
Muitas medidas são limitadas pelo limite quântico padrão (SQL). SQL é definido como os níveis de ruído medidos definidos pela mecânica quântica. O emaranhamento quântico pode ser usado para vencer o SQL e se aproximar de um limite final denominado limite de Heisenberg (HL). As medições Sub-SQL foram realizadas em muitos sistemas sob condições extremas e os sensores nesses sistemas não são adequados para medições realistas em condições ambientais.
Os centros de vacância de nitrogênio (NV) no diamante podem ser utilizados como sensores para elétron e ressonância magnética nuclear. Eles podem funcionar bem em condições ambientais devido à proteção da estrutura de cristal sólido. Todo um processo de medição sub-SQL com base em um único centro NV inclui a inicialização de spins NVs, emaranhamento sob condições ambientais, detecção de quantidades físicas, e leitura dos resultados. Agora surgiram dificuldades na inicialização e emaranhamento de NV.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Du Jiangfeng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências realizou uma medição sub-SQL em condições ambientais com centros NV em diamante, e descobri que o uso de sensores emaranhados pode superar o SQL e realizar medições mais precisas. Este estudo foi publicado em Avanços da Ciência .
Os pesquisadores aplicaram uma técnica de feedback em tempo real para inicializar spins para um estado altamente puro, e conseguiu a inicialização conjunta do estado de carga NV, spin do elétron, e dois spins nucleares com alta fidelidade.
Eles substituíram o laser de pulso quadrado por sequência de laser cortada para polarização do spin do elétron, melhorando a fidelidade do laser correspondente de 90% para 97,7%.
Adicionalmente, os pesquisadores otimizaram configurações de experimentos para controlar melhor as condições experimentais. Por meio de configuração sofisticada para isolamento térmico e parâmetros apropriados de proporção-integração-diferenciação (PID) para feedback, eles perceberam uma flutuação de temperatura relativamente baixa de 0,5 mK durante os experimentos e um campo magnético altamente estável com a volatilidade de 1 ppm.
Este trabalho abre novas perspectivas para a investigação de sistemas de spin de estado sólido, e estabelece as bases para o sensoriamento quântico e computação.
