伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的核物理小組正在參與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的nEDM實(shí)驗(yàn)，目的是測(cè)量中子的電偶極矩，以約束粒子物理學(xué)的理論。研究人員旨在為nEDM實(shí)驗(yàn)建造傳感器，并探索其在量子信息科學(xué)中的潛在應(yīng)用。氮空穴金剛石獨(dú)特的量子特性使其成為量子傳感和量子存儲(chǔ)器的有希望的候選者。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的核物理小組正在尋找中子的新物理學(xué)證據(jù)，中子是電中性粒子，通過(guò)一種稱為強(qiáng)力的相互作用將原子核固定在一起。教師和研究人員正在參加橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的nEDM實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將測(cè)量中子的電偶極矩，這一特性使中子盡管是中性的，但卻能與電場(chǎng)相互作用。一個(gè)精確的測(cè)量將約束擴(kuò)展當(dāng)前粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員必須準(zhǔn)確地測(cè)量非常強(qiáng)的電場(chǎng)的微妙變化。

物理學(xué)教授道格拉斯-貝克（Douglas Beck）獲得了能源部的資助，以開(kāi)發(fā)基于氮空穴金剛石的傳感器，這種材料在低溫下的量子特性使其對(duì)電場(chǎng)異常敏感。他的研究小組已經(jīng)表明，這種材料可以測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)將使研究人員能夠構(gòu)建準(zhǔn)備用于nEDM實(shí)驗(yàn)的傳感器。此外，該材料的量子特性使其成為量子信息科學(xué)的一個(gè)有希望的候選者。研究人員還將探索這些潛在的應(yīng)用。

貝克解釋說(shuō)，化學(xué)上添加的氮空位（或NV）雜質(zhì)使鉆石具有不尋常的電場(chǎng)敏感性。這些雜質(zhì)是帶有一個(gè)額外的氮原子和一個(gè)空洞[或空位]的區(qū)域，而這些空位通常是在碳原子的位置。當(dāng)材料被冷卻到絕對(duì)零度以上不到20度時(shí)，這些雜質(zhì)形成一個(gè)對(duì)電場(chǎng)有反應(yīng)的量子系統(tǒng)。這是一個(gè)相當(dāng)不尋常的特性，因?yàn)闆](méi)有多少系統(tǒng)對(duì)電場(chǎng)有反應(yīng)，這使得NV鉆石變得特別。

當(dāng)NV系統(tǒng)在特定的量子狀態(tài)下被制備時(shí)，它可以變得更加敏感。研究人員在冷卻該系統(tǒng)后，沒(méi)有讓它停留在最低的能量狀態(tài)，而是形成了一個(gè)最低和次低能量狀態(tài)的量子疊加，稱為暗態(tài)，因?yàn)樗慌c光相互作用而得名。

"在某種意義上，這個(gè)名字是為了暗示它對(duì)與環(huán)境的相互作用具有免疫力，"貝克說(shuō)。"因?yàn)樗膲勖荛L(zhǎng)，它有著非常鮮明的能量，非常準(zhǔn)確地告訴我們電場(chǎng)有多大。"

貝克的研究小組已經(jīng)證明，這種現(xiàn)象使NV鉆石能夠測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)將使研究人員能夠在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)可靠、堅(jiān)固的傳感器。這將涉及到將傳感器包裝成易于與用于控制它們的激光器連接的單元，并將背景噪音的影響降至最低。貝克說(shuō)，他們還在研究一種叫做動(dòng)態(tài)解耦的量子技術(shù)，這將使他們能夠有效地扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)不完善的影響。這將使已經(jīng)很精確的電場(chǎng)測(cè)量變得更加精確。

該研究的另一個(gè)目標(biāo)是探索在量子信息科學(xué)中使用NV鉆石的建議。暗態(tài)的長(zhǎng)壽命和對(duì)環(huán)境噪聲的彈性使它成為一個(gè)有前途的量子傳感和量子存儲(chǔ)器的平臺(tái)。許多這樣的應(yīng)用取決于將量子系統(tǒng)置于擁有海森堡原理所允許的最小不確定性的擠壓狀態(tài)，目前已經(jīng)有幾個(gè)關(guān)于在NV鉆石中創(chuàng)造擠壓態(tài)的建議，貝克的小組將調(diào)查其可行性。

這項(xiàng)工作將得到能源部核物理項(xiàng)目中的量子地平線計(jì)劃三年內(nèi)65萬(wàn)美元的支持。