Fig. 1 Dynamik och styrning av ett enda NV-center. (A) Diagram över ett enda NV-centrum i diamant. Den drivs av olika laserstrålar och styrs koherent av MW och RF-pulser. Kvadrat:kvadratisk 532-nm grön laser för avläsning av NV-elektronspin och blandningsladdningstillstånd; hackad:hackad lasersekvens för en bättre polarisering av elektronspinnet utan att förstöra laddningstillståndet; stark:stark (4 μW) 594-nm orange laser för avläsning av laddningstillstånd i realtidsåterkoppling; svag:svag (0,18 μW) orange laser för enkelbildsavläsning av laddningstillstånd. NV-elektronspinnet (S =1), det åtföljande 14N kärnspinn (I =1), och en av slumpmässigt fördelade 13C kärnspinn (I =1/2) utgör interferometern. (B) Nivådiagram av NV negativa och neutrala tillstånd betecknade med NV− och NV0 och motsvarande dynamik som drivs av 532 nm grön laser och 594 nm orange laser. (C) Spinnnivåstruktur för grundtillståndet för NV−-tripletten. MW- och RF-pulser används för att koherent manipulera NV-elektronspin och två kärnspinn (14N och 13C). (D) Projektiv mätning av 13C kärnspinn. Den streckade linjen anger tröskeln för att avgöra vilket tillstånd den förblir i. Kredit:DOI:10.1126/sciadv.abg9204
Många mätningar är begränsade av standard kvantgräns (SQL). SQL definieras som de uppmätta brusnivåer som ställs in av kvantmekaniken. Quantum entanglement kan användas för att slå SQL och närma sig en ultimat gräns som kallas Heisenberg limit (HL). Sub-SQL-mätningar har realiserats i många system under extrema förhållanden och sensorer i dessa system är inte lämpliga för realistiska mätningar under omgivningsförhållanden.
Nitrogen-vacancy (NV) centra i diamant kan användas som sensorer för elektron- och kärnmagnetisk resonans. De kan fungera bra under miljöförhållanden på grund av skyddet av fast kristallgitter. En hel sub-SQL-mätprocess baserad på ett enda NV-center inkluderar initiering av NVs snurr, intrassling under omgivningsförhållanden, detektering av fysiska storheter, och avläsning av resultat. Det har nu uppstått svårigheter vid initiering och intrassling av NV.
En forskargrupp ledd av professor Du Jiangfeng från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin realiserade en sub-SQL-mätning under omgivningsförhållanden med NV-center i diamant, och fann att användningen av intrasslade sensorer kan slå SQL och realisera mer exakta mätningar. Denna studie publicerades i Vetenskapens framsteg .
Forskarna tillämpade en återkopplingsteknik i realtid för att initiera snurr till ett mycket rent tillstånd, och uppnådde den gemensamma initieringen av NV-laddningstillstånd, elektronspin, och två kärnvapenspinn med hög trohet.
De ersatte kvadratisk pulslaser med hackad lasersekvens för polarisering av elektronspin, förbättrar motsvarande lasertrohet från 90 % till 97,7 %.
Dessutom, forskarna optimerade experimentuppställningar för att bättre kontrollera experimentella förhållanden. Genom sofistikerad konfiguration för värmeisolering och apropos proportion-integration-differentiering (PID) parametrar för återkoppling, de realiserade en relativt låg temperaturfluktuation på 0,5 mK under experiment och ett mycket stabilt magnetfält med en flyktighet på 1 ppm.
Detta arbete öppnar upp nya perspektiv för undersökning av solid-state spin-system, och lägger grunden för kvantavkänning och beräkning.
