Princeton Ontwikkelt Kwantumsensor met 40x Gevoeligheid met Verstrengelde NV-Centra

Onderzoekers van Princeton hebben een kwantumsensor ontwikkeld op basis van diamant die een gevoeligheid bereikt die ongeveer veertig keer groter is dan die van eerdere meetmethoden. Deze techniek biedt nieuwe mogelijkheden om magnetische fenomenen op nanoschaal te onderzoeken, waarbij fluctuaties zichtbaar worden die voorheen onwaarneembaar waren voor conventionele instrumenten. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature op 26 november 2025, zijn van direct belang voor fundamenteel onderzoek naar materialen zoals grafeen en supergeleiders.

De kern van deze verbetering is het gebruik van kwantumverstrengeling tussen twee dicht bij elkaar geplaatste stikstof-vacature (NV) centra. Deze centra fungeren als gemanipuleerde defecten nabij het oppervlak van een in het laboratorium gekweekt diamant. De creatie van deze sensor vereiste een gespecialiseerd proces waarbij stikstofmoleculen met hoge snelheid op de diamant werden geprojecteerd, wat resulteerde in de inbedding van twee stikstofatomen op een afstand van ongeveer 10 nanometer.

De sleutelfiguren in dit onderzoek zijn Nathalie de Leon, hoofdauteur en universitair hoofddocent aan Princeton, en Jared Rovny, die het theoretische kader leverde. De verstrengelde elektronen van de twee stikstofatomen werken synchroon, waardoor de sensoren de handtekeningen in de anders ruisende fluctuaties nauwkeurig kunnen trianguleren. Dit markeert een significante methodologische verschuiving in magnetische detectie op nanoschaal, aangezien de complexiteit van eerdere correlatiedetectiemethoden wordt omzeild ten gunste van een enkele, normale meting, aldus De Leon.

De relevantie van deze ontwikkeling ligt in de fundamentele wetenschap achter geavanceerde materialen. Het vermogen om magnetische verschijnselen op deze microscopische schaal te observeren is essentieel voor het begrijpen van supergeleiders, die de basis vormen voor geavanceerde medische beeldvorming en de ontwikkeling van verliesvrije elektriciteitsleidingen. Philip Kim, een experimenteel natuurkundige aan Harvard die niet bij de studie betrokken was, merkte op dat eerdere technieken beperkt waren tot zorgvuldig geconstrueerde atoomroosters, terwijl deze nieuwe methode het mogelijk maakt om echte materialen direct te onderzoeken.

De theoretische basis voor dit werk ontstond tijdens de COVID-19-pandemie, toen Rovny en De Leon correlaties in magnetisch ruis onderzochten. Dit recente werk bouwt voort op eerdere inspanningen, waaronder een artikel uit 2022 in Science, dat correlaties tussen niet-verstrengelde centra onderzocht, wat als technisch omslachtig werd ervaren. De ontwikkeling van deze techniek door Princeton-onderzoekers, met een gevoeligheidsfactor van veertig, positioneert deze methode als een potentieel standaardinstrument voor toekomstige nanoschaalmetingen in de vastestoffysica.