新技术揭示了磁噪声在空间和时间上不断变化的形状

电磁噪声是通信的主要问题，促使无线运营商大力投资技术来克服它。但对于探索原子领域的科学家团队来说，测量噪音中的微小波动可能是发现的关键。

普林斯顿大学电气与计算机工程副教授NathaliedeLeon说：“噪音通常被认为是一种讨厌的东西，但物理学家可以通过研究噪音来学习很多东西。”“通过测量材料中的噪音，他们可以了解它的成分、温度、电子如何流动和相互作用，以及自旋如何形成磁铁。通常很难测量噪音在空间或环境中如何变化的任何事情。时间。”

普林斯顿大学和威斯康星大学麦迪逊分校的一组研究人员使用特别设计的钻石，开发了一种通过研究相关性来测量材料中噪声的技术，他们可以利用这些信息来了解材料的空间结构和随时间变化的性质噪音。这种技术依赖于跟踪磁场中的微小波动，与以前对许多单独测量进行平均的方法相比有了明显的改进。

DeLeon是制造和使用称为氮空位(NV)中心的高度受控金刚石结构的领导者。这些NV中心是对金刚石碳原子晶格的修饰，其中碳被氮原子取代，并且与它相邻的是分子结构中的空位或空位。具有NV中心的钻石是为数不多的能够以量子技术和凝聚态物理学关键实验所需的规模和速度测量磁场变化的工具之一。

虽然单个NV中心允许科学家详细读取磁场，但只有当deLeon的团队想出一种同时利用多个NV中心的方法时，他们才能测量材料中噪声的空间结构。12月22日在线发表在《科学》杂志上的一篇描述该技术的论文的资深作者德莱昂说，这为理解具有奇异量子行为的材料的特性打开了大门，这些材料迄今为止仅在理论上进行了分析。

“这是一种全新的技术，”德莱昂说。“从理论的角度来看，很明显，能够做到这一点将是非常强大的。我认为对这项工作最感兴趣的观众是凝聚态理论家，既然存在着整个现象世界，他们也许能够以不同的方式表现出来。”

其中一种现象是量子自旋液体，这是一种近50年前首次在理论中探索的材料，一直难以通过实验来表征。在量子自旋液体中，电子不断流动，这与冷却到特定温度时典型磁性材料的固态稳定性形成鲜明对比。

“关于量子自旋液体的具有挑战性的事情是，根据定义，它没有静磁排序，所以你不能像使用另一种材料那样绘制磁场”，deLeon说。“到目前为止，基本上没有办法直接测量这些两点磁场相关器，人们一直在做的是试图为该测量找到复杂的代理。”

通过使用金刚石传感器同时测量多个点的磁场，研究人员可以检测电子及其自旋如何在材料中跨越空间和时间移动。在开发新方法时，该团队将校准激光脉冲应用于包含NV中心的钻石，然后检测到来自一对NV中心的两个光子计数尖峰——在同一时间点读出每个中心的电子自旋。以前的技术会取这些测量值的平均值，从而丢弃有价值的信息，并且无法将钻石及其环境的固有噪声与感兴趣材料产生的磁场信号区分开来。

“这两个尖峰中的一个是我们正在应用的信号，另一个是来自当地环境的尖峰，没有办法区分它们，”该研究的合著者、威斯康星大学物理学副教授ShimonKolkowitz说。-麦迪逊。“但是当我们查看相关性时，相关性来自我们正在应用的信号，而另一个则不是。我们可以测量它，这是人们以前无法测量的。”

Kolkowitz和deLeon在攻读博士学位时相识。哈佛大学的学生，从那以后就经常联系。deLeon说，他们的研究合作始于COVID-19大流行的早期，当时实验室研究放缓，但随着大多数互动发生在Zoom上，远程合作变得更具吸引力。

JaredRovny是该研究的主要作者，也是deLeon小组的博士后研究员，他领导了新方法的理论和实验工作。deLeon说，Kolkowitz和他的团队的贡献对于设计实验和理解数据至关重要。该论文的合著者还包括艾哈迈德·阿卜杜拉(AhmedAbdalla)和劳拉·二村(LauraFutamura)，他们分别在2021年和2022年与德莱昂的团队一起进行了夏季研究，作为IBM和普林斯顿(QURIP)量子本科生研究项目的实习生，德莱昂于2019年与他人共同创立了该项目。

这篇名为“使用金刚石量子传感器的纳米级协方差磁力测量”的文章于12月22日在线发表在《科学》杂志上。