Naukowcy z Princeton Osiągają 40-krotny Wzrost Czułości Sensora Kwantowego w Diamencie

Badacze z Uniwersytetu Princeton zaprezentowali nowy sensor kwantowy, osadzony w syntetycznym diamencie, który znacząco zwiększa zdolność obserwacji zjawisk magnetycznych w skali nanometrowej. Przełom, opisany w czasopiśmie Nature 26 listopada 2025 roku, dokumentuje czułość czujnika około 40 razy wyższą niż dotychczasowe techniki pomiarowe, co otwiera nowe możliwości w fizyce materii skondensowanej.

Kluczowa innowacja polega na wykorzystaniu inżynieryjnie zaprojektowanych defektów znanych jako centra azotu-wakansu (NV). Zespół zaimplantował dwa takie centra w bardzo bliskiej odległości, wynoszącej około 10 nanometrów, co umożliwiło kwantowe splątanie elektronów tych centrów. To zsynchronizowane oddziaływanie kwantowe pozwala sensorowi na efektywne triangulowanie i izolowanie sygnatur wewnątrz nieodłącznie zaszumionych fluktuacji magnetycznych, co było wcześniej nieosiągalne z wymaganą precyzją.

Proces rozwojowy, dopracowywany przez około pięć lat, wywodzi się z prac Jareda Rovny'ego, który opracował ramy teoretyczne, oraz Nathalie de Leon, głównej autorki badania i profesor stowarzyszonej na Princeton. Nowe podejście ze splątaniem znacząco upraszcza detekcję, ponieważ, jak zaznaczyła profesor De Leon, metoda ta pozwala teraz na pojedynczy, standardowy pomiar, omijając złożoność starszych metod detekcji korelacji. Stworzenie tych blisko rozmieszczonych, splątanych centrów NV osiągnięto poprzez kontrolowane napromieniowanie powierzchni diamentu cząsteczkami azotu poruszającymi się z prędkościami przekraczającymi 30 000 stóp na sekundę.

W kontekście fizyki materii skondensowanej, centra NV w diamencie są badane ze względu na ich długie czasy koherencji kwantowej, co czyni je idealnymi kandydatami na kubity i czujniki. To ulepszone narzędzie ma natychmiastowe zastosowanie w badaniu materiałów, gdzie zachowanie magnetyczne w skali poniżej długości fali optycznej jest kluczowe, na przykład w grafenie i nadprzewodnikach. Philip Kim, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Harvarda, podkreślił, że ta technika pozwala naukowcom bezpośrednio badać rzeczywiste materiały, co jest niezbędnym krokiem w kierunku zrozumienia złożonych zachowań kwantowych.

Wykorzystując splątanie kwantowe, zespół skutecznie przekształcił trudność izolowania sygnałów w szumie w kwantową przewagę, oferując czystsze okno na fundamentalną fizykę rządzącą zaawansowanymi materiałami. Rozwój ten stanowi istotny krok metodologiczny, umacniając pozycję diamentu jako platformy dla przyszłych technologii kwantowych, w tym obliczeń kwantowych i zaawansowanej metrologii.