Принстонские физики повысили чувствительность алмазного квантового сенсора в 40 раз

Исследователи из Принстонского университета разработали квантовый сенсор на основе алмаза, который демонстрирует примерно 40-кратное увеличение чувствительности по сравнению с предыдущими технологиями. Эта разработка, опубликованная в журнале «Nature» 27 ноября 2025 года, открывает новые возможности для изучения магнитных явлений на наномасштабе, предоставляя критически важные сведения о таких материалах, как графен и сверхпроводники.

В основе методики лежит использование искусственно созданных дефектов вблизи поверхности лабораторно выращенного алмаза — центров азот-вакансия (NV-центров). Ключевым моментом, обеспечившим значительное повышение производительности, стало внедрение двух NV-центров на чрезвычайно близком расстоянии друг от друга, что позволило им вступить в квантово-механическое взаимодействие посредством квантовой запутанности. Ведущим автором исследования выступила доцент Принстона Натали де Леон, а теоретическую базу для создания запутанного сенсора заложил Джаред Ровни, который начал работу с де Леон в рамках Принстонской квантовой инициативы.

Создание высокочувствительного прибора потребовало сложного процесса: исследователи направляли молекулы азота, движущиеся со скоростью свыше 30 000 футов в секунду, на алмазную подложку. При столкновении молекулы распадались, внедряя два атома азота на расстояние около 10 нанометров друг от друга в кристаллической структуре. Запутанные электроны этих двух атомов азота действуют синхронно, что позволяет сенсорам триангулировать сигнатуры в зашумленных флуктуациях и точно определять их источник.

Профессор Филип Ким из Гарварда, не участвовавший в работе, отметил, что новый подход позволяет напрямую зондировать реальные материалы, в отличие от предыдущих методик, которые ограничивались лишь тщательно сконструированными атомными решетками. Натали де Леон подчеркнула, что новая методика позволяет проводить однократное, стандартное измерение, что избавляет от громоздких проблем, присущих прежним методам детектирования корреляций. Этот методологический скачок в наноразмерном магнитном зондировании предлагает высокую точность в области, где традиционные оптические методы ограничены.

Переход от сложного детектирования корреляций без запутанности к упрощенной схеме с одним измерением на основе запутанности указывает на перспективный путь к более практическому применению данной технологии в физике конденсированного состояния. Изучение сверхпроводников, лежащих в основе передового медицинского оборудования, а также потенциальных технологий, таких как поезда на магнитной левитации и линии электропередач с нулевыми потерями, может получить значительный импульс благодаря этой разработке.