Электромагнитный шум представляет собой серьезную проблему связи, побуждая операторов беспроводной связи вкладывать значительные средства в технологии для ее решения. Несмотря на то, что он доставляет неудобства, он может многое рассказать, изучая шум. Измеряя шум в материале, физики могут узнать его состав, температуру, то, как электроны движутся и взаимодействуют друг с другом, а также как он вращается, образуя магниты. Как правило, трудно измерить, как шум изменяется в пространстве или времени.
Ученые Принстонский университет и Университет Висконсин-Мэдисон создали метод измерения шума в материале путем изучения корреляций. Они могут использовать эту информацию, чтобы изучить пространственную структуру и изменяющуюся во времени природу шума. В методе используются специально разработанные алмазы с азотно-вакансионными центрами. Этот метод, который отслеживает мельчайшие изменения в магнитные поля, является значительным шагом вперед по сравнению с более ранними, которые усредняли множество различных показаний.
Высококонтролируемые структуры алмаза называются центрами азотных вакансий (NV). Эти NV-центры представляют собой модификации решетки атомов углерода алмаза, когда атом углерода заменяется атомом азота, и рядом с ним в химической структуре появляется пустое пространство или вакансия. Алмаз с NV-центрами — один из немногих инструментов, способных регистрировать изменения магнитных полей в масштабе и скорости, необходимых для важнейших исследований в области космоса. квантовая технология и физика конденсированного состояния.
Несмотря на то, что один NV-центр позволял с большой точностью контролировать магнитные поля, только когда ученые придумали, как использовать несколько NV-центров, они могли анализировать пространственную организацию шума в материале.
Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета, сказала: «Это открывает дверь к пониманию свойств материалов с причудливым квантовым поведением, которые до сих пор анализировались только теоретически».
«Это принципиально новая технология. С теоретической точки зрения ясно, что это было бы очень полезно. Аудитория, которая, по моему мнению, больше всего воодушевлена этой работой, — это теоретики конденсированного состояния; теперь, когда существует целый мир явлений, их можно будет охарактеризовать по-другому».
Квантовая спиновая жидкость Это одно из таких явлений, когда электроны постоянно находятся в движении, в отличие от стабильности твердого состояния, которая характеризует типичный магнитный материал при охлаждении до определенной температуры.
де Леон сказал: «Сложность квантово-спиновой жидкости заключается в том, что по определению в ней нет статического магнитного упорядочения, поэтому вы не можете просто составить карту магнитного поля», как вы это сделали бы с другим типом материала. До сих пор не было возможности напрямую измерить эти двухточечные корреляторы магнитного поля, и вместо этого люди пытались найти сложные прокси для этих измерений».
Ученые могут определить, как электроны и их спины движутся в пространстве и времени материала, измеряя магнитные поля одновременно в нескольких местах с помощью алмазных датчиков. Чтобы создать новую технику, команда подвергла алмаз с NV-центрами калиброванным лазерным импульсом, а затем заметила два всплеска количества фотонов, исходящих от пары NV-центров, — считывание спинов электронов в каждом центре в один и тот же момент.
Соавтор исследования Шимон Колковиц, доцент кафедры физики Университета Висконсин-Мэдисон, — сказал, «Один из этих двух всплесков — это сигнал, который мы подаем, другой — всплеск из локальной среды, и отличить разницу невозможно. Но когда мы смотрим на корреляции, одна коррелирует с сигналом, который мы применяем, а другая — нет. И мы можем измерить то, что раньше люди не могли измерить».
Справочник журнала:
- Джаред Ровни, Чжиян Юань, Маттиас Фицпатрик и др. Наномасштабная ковариационная магнитометрия с алмазными квантовыми датчиками. Наука, DOI: 10.1126/science.ade9858
