Elektromagnetische ruis vormt een aanzienlijk communicatieprobleem, waardoor draadloze providers zwaar moeten investeren in technologieën om dit probleem te verhelpen. Ondanks dat het hinderlijk is, kan het veel dingen vertellen door geluid te bestuderen. Door de ruis in een materiaal te meten, kunnen natuurkundigen de samenstelling en temperatuur ervan leren, hoe elektronen stromen en met elkaar interageren, en hoe het ronddraait om magneten te vormen. Het is over het algemeen moeilijk te meten hoe het geluid verandert in ruimte of tijd.
Wetenschappers bij Princeton University en Universiteit van Wisconsin-Madison hebben een methode ontwikkeld om ruis in een materiaal te meten door correlaties te bestuderen. Ze kunnen deze informatie gebruiken om de ruimtelijke structuur en de tijdsvariërende aard van het geluid te leren kennen. De methode maakt gebruik van speciaal ontworpen diamanten met stikstof-leegstandcentra. Deze methode, die minieme variaties in magnetische velden, is een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van eerdere versies, die gemiddeld een groot aantal verschillende metingen hadden.
De sterk gecontroleerde diamantstructuren worden stikstofvacancycentra (NV-centra) genoemd. Deze NV-centra zijn aanpassingen aan het koolstofatoomrooster van een diamant wanneer een koolstofatoom wordt vervangen door een stikstofatoom en er een lege ruimte of vacature ernaast ontstaat in de chemische structuur. Een diamant met NV-centra is een van de weinige instrumenten die veranderingen in magnetische velden kan registreren op de schaal en snelheid die nodig zijn voor cruciale onderzoeken op het gebied van magnetische velden. kwantumtechnologie en fysica van de gecondenseerde materie.
Ook al maakte één enkel NV-centrum het mogelijk om magnetische velden met grote precisie te monitoren, pas toen wetenschappers ontdekten hoe ze verschillende NV-centra moesten gebruiken, konden ze de ruimtelijke organisatie van ruis in een materiaal analyseren.
Nathalie de Leon, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Princeton University, zei: “Dit opent de deur naar het begrijpen van de eigenschappen van materialen met bizar kwantumgedrag die tot nu toe alleen theoretisch zijn geanalyseerd.”
“Het is een fundamenteel nieuwe techniek. Vanuit theoretisch perspectief is het duidelijk dat het zeer krachtig zou zijn om dit te doen. Het publiek dat volgens mij het meest enthousiast is over dit werk bestaat uit theoretici van de gecondenseerde materie; nu er een hele wereld van verschijnselen bestaat, kunnen ze misschien anders karakteriseren.
Quantum spinvloeistof is zo'n fenomeen, waarbij elektronen constant in beweging zijn, in tegenstelling tot de stabiliteit in de vaste toestand die kenmerkend is voor een typisch magnetisch materiaal wanneer het wordt afgekoeld tot een specifieke temperatuur.
de León zei, “Het uitdagende aan een kwantumspinvloeistof is dat er per definitie geen statische magnetische ordening bestaat, dus je kunt niet zomaar een magnetisch veld in kaart brengen” zoals je dat met een ander type materiaal zou doen. Tot nu toe was er geen manier om deze tweepuntsmagnetische veldcorrelatoren rechtstreeks te meten, en in plaats daarvan hebben mensen geprobeerd ingewikkelde proxy's voor die meting te vinden.
Wetenschappers kunnen bepalen hoe elektronen en hun spins door de ruimte en tijd van een materiaal stromen door tegelijkertijd magnetische velden op verschillende locaties te meten met diamantsensoren. Om de nieuwe techniek te creëren, stelde het team een diamant met NV-centra bloot aan gekalibreerde laserpulsen en merkte daarna twee pieken op in het aantal fotonen afkomstig van een paar NV-centra, een uitlezing van de elektronenspins in elk centrum op hetzelfde moment.
Studie co-auteur Shimon Kolkowitz, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zei, “Een van die twee pieken is een signaal dat we toepassen, de andere is een piek uit de lokale omgeving, en er is geen manier om het verschil te zien. Maar als we naar de correlaties kijken, is de ene gecorreleerd afkomstig van het signaal dat we toepassen, en de andere niet. En dat kunnen wij meten, wat mensen voorheen niet konden meten.”
Journal Reference:
- Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Mattias Fitzpatrick, et al. Covariantiemagnetometrie op nanoschaal met diamantkwantumsensoren. Wetenschap DOI: 10.1126/wetenschap.ade9858
