物理学家在多个维度中进行量子测量

研究人员使用的实验设置，用于测试其磁传感器系统，使用绿色激光用于共聚焦显微镜。照片由rle提供

在MIT的研究人员开发了一种具有极高精度的原子尺度磁场，不仅是上下的原子尺寸磁场，不仅是上下的方式，也是由MIT的研究人员开发的。新工具可在应用中有用作为佩戴在射击神经元内的电脉冲，表征新的磁性材料，以及探测异国量子物理现象。

新方法今天在撰写于研究生Yi-Xiang Liu，前研究生Ashok Ajoy和核科学与工程Paola Cappello教授的论文中的书面评论信中。

该技术在已经开发的平台上建立了以高精度探测磁场的平台，使用钻石中的微小缺陷称为氮空位（NV）中心。这些缺陷由钻石有序碳原子的碳原子有序晶格中的两个相邻的位置组成;其中一个被氮原子取代，另一个是空的。这使得结构中的粘合缺失，具有对其环境的微小变化非常敏感的电子，它们是电气，磁性或基于光的。

以前的单个NV中心用于检测磁场的用途非常精确，但只能能够测量沿着单尺寸的那些变化，与传感器轴对齐。但是对于一些应用，例如通过测量每个射击脉冲的精确方向来绘制神经元之间的连接，测量磁场的侧向部件是有用的。

研究人员使用的实验设置来测试其传感器系统。正在测试的样本是在绿色盒子窄端，中心右侧的舞台上，设有磁铁。照片由rle提供

基本上，新方法通过使用由氮原子的核旋转提供的辅助振荡器来解决该问题。待测量的场的侧向部件阐明了次级振荡器的取向。通过截止轴略微截止，侧向元件引起一种摇摆，该摆动看起来是与传感器对齐的场的周期性波动，从而将该垂直分量转向叠加在初级静态磁场测量上的波形图案中。然后可以在数学上转换回以确定侧向组件的大小。

该方法在该第二维度中提供尽可能多的精度，如在第一维度中，刘仍在解释，同时仍然使用单个传感器，从而保持其纳米级空间分辨率。为了读出结果，研究人员使用光学共聚焦显微镜，它利用了NV中心的特殊特性：当暴露于绿灯时，它们发出红色发光或荧光，其强度取决于它们的精确旋转状态。这些NV中心可以用作Qubits，量子计算当量在普通计算中使用的比特。

“我们可以从荧光中告诉旋转状态，”刘解释说。“如果它是黑暗的，”产生较少的荧光“，这是一个”一个“状态，如果它是光明的，那是一个”零“的状态，”她说。“如果荧光在于之间的一些数字，则旋转状态是”零“和”一个“之间的某个位置。

简单的磁指南针的针讲述了磁场的方向，但不是其强度。用于测量磁场的一些现有设备可以执行相反的情况，沿一个方向精确地测量现场的强度，但它们对该字段的总体取向言以说明。定向信息是新探测器系统可以提供的。

在这种新的“指南针”中，刘说，“我们可以告诉它在哪里指向荧光的亮度，”以及该亮度的变化。主场由整体稳定的亮度水平表示，而通过敲击磁场脱离轴引入的摆动显示为常规的波状变化，然后可以精确地测量该亮度。

刘说，对这种技术的一个有趣的应用程序将使钻石NV中心与神经元接触。当细胞触发其动作可能触发另一个小区时，该系统应该不仅能够检测其信号的强度，而且可以帮助其方向，从而有助于映射连接并查看哪些单元触发其其他单元。类似地，在测试可能适合数据存储或其他应用的新磁性材料中，新系统应能够详细测量材料中磁场的幅度和定向。

与需要极低温度的其他系统不同，这种新的磁传感器系统可以在普通室温下工作，刘说，测试生物样品不损坏它们。

这种新方法的技术已经可用。“你现在可以这样做，但你需要先花一些时间来校准系统，”刘说。

目前，该系统仅提供磁场的总垂直分量的测量，而不是其精确的方向。“现在，我们只提取总横向组件;我们无法确定方向，“刘说。但是，通过将添加的静态磁场引入作为​​参考点来补充第三维组件。“只要我们可以校准那个参考领域，”她说，有可能获得有关该领域的方向的完整三维信息，并“有很多方法可以做到这一点。”

Amit Finkler是以色列魏兹曼学院的化学物理学高级科学家，没有参与这项工作，称“这是高质量的研究。… 它们对横向磁场的敏感性，与平行场的直流灵敏度相比，这令人印象深刻和令人鼓舞的实际应用。“

Finkler补充道，“随着作者谦卑地写在稿件中，这确实是朝向矢量纳米级磁力的第一步。还需要看出它们的技术确实适用于实际样品，例如分子或冷凝物系。“然而，他说，“底线是作为这种技术的潜在用户/实施者，我留下了非常深刻的印象，而且鼓励在我的实验设置中采用和应用这个方案。”

虽然该研究专门针对测量磁场，但研究人员说，相同的基本方法可用于测量包括旋转，压力，电场和其他特征的分子的其他性质。该研究得到了国家科学基金会和美国陆军研究所的支持。

出版物：易翔刘等人，“纳米级载体直流磁体通过辅助频率上转换，”物理评论信，2019; DOI：10.1103 / physrevlett.122.100501