計算機と信号処理の融合によるイノベーション Innovation combines computational and signal processing
2023-02-16 アルゴンヌ国立研究所(ANL)
Using specially designed diamonds with nitrogen vacancy centers, researchers have developed a technique to measure magnetic fields at the atomic scale. In this image, a diamond with near-surface nitrogen-vacancy centers is illuminated by green laser light from a microscope objective lens. (Image by David Kelly Crow/Princeton University).
◆今回、科学者たちは、一対の原子スケール量子センサーが検出した磁場に相関があるかどうかを確認する方法を開発し、『Science』誌に発表しました。
◆プリンストン大学とウィスコンシン大学マディソン校の科学者チームは、複数の量子センサーが拾った磁場が互いに相関しているのか独立しているのかを調べるための新しい技術を開発し、実証した。
◆このNVセンターは、ダイヤモンドを構成する炭素原子の結晶中にある原子サイズの穴の隣に窒素原子が配置されたものである。
◆通常、科学者は複数の測定値を平均して、1つのNVセンターにおける磁界の強さを測定する。あるいは、一度に多くのNVセンターから平均値を取ることもあります。
◆この研究チームの新しい方法では、2つのNVセンターを同時に複数回読み取ります。高度な計算と信号処理技術により、2つの地点の磁場の関係についての情報が得られ、2つの測定値が同じ発生源からもたらされたものかどうかを判断できるようになった。
◆量子センサーは、原子や原子のような系の量子的性質を利用して、単一の電子の運動から生じる磁場のような微小な信号を検出する。このような磁場は、冷蔵庫の磁石の10万分の1程度の微弱なものである。自然界で最も小さなスケールを測定できるのは、量子センサーのような超高感度なツールだけだ。
◆量子センサーは、強力なセンサーになると期待されている。例えば、NVセンターでは、髪の毛の1万分の1という微細な凹凸を識別することができる。このような超ズーム機能を持つNVセンターは、生きた細胞の中に入れて、その機能を間近で観察することができます。さらに、病気の原因を突き止めるために利用することもできます。
◆研究チームは、多くの生の値を平均して全体の磁場強度を求めるのではなく、各NVセンターの個々の測定値を記録し、その2つのリストに「共分散」という数学的操作を適用しました。
◆共分散を計算した数値を比較すると、生の平均値よりも詳細な情報が得られるため、磁場に相関があるかどうかを確認することができます。
◆共分散情報をスピンから電荷への変換と統合することで、研究者は、以前にはなかった原子や素粒子の詳細へのアクセスを得ることができ、量子センシングの既に強力な能力を超強化することができるのです。
＜関連情報＞
- https://www.anl.gov/article/new-quantum-sensing-technique-reveals-magnetic-connections
- https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9858
ダイヤモンド量子センサーを用いたナノスケール共分散型磁気測定法 Nanoscale covariance magnetometry with diamond quantum sensors
Jared Rovny ,Zhiyang Yuan,Mattias Fitzpatrick,Ahmed I. Abdalla,Laura Futamura,Carter Fox,Matthew Carl Cambria,Shimon Kolkowitz ,Nathalie P. de Leon
Science Published:22 Dec 2022
DOI:https://doi.org/10.1126/science.ade9858
Covariance magnetometry
Color defect centers in diamond, such as the nitrogen vacancy center effect, behave as miniature compass needles. Their optical signature is sensitive to local magnetic fields with nanoscale resolution. To date, these sensing modalities have been largely limited to detecting static magnetic fields or sensing an ensemble average, providing access to dynamical behavior only indirectly. Rovny et al. developed a theoretical framework and demonstrate a new sensing modality for detecting spatiotemporal correlations from simultaneous measurements of two nitrogen vacancy defect centers in diamond. Covariance measurements open a window for sensing spatiotemporal dynamics through nanoscale magnetometry. —ISO
Abstract
Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond are atom-scale defects that can be used to sense magnetic fields with high sensitivity and spatial resolution. Typically, the magnetic field is measured by averaging sequential measurements of single NV centers, or by spatial averaging over ensembles of many NV centers, which provides mean values that contain no nonlocal information about the relationship between two points separated in space or time. Here, we propose and implement a sensing modality whereby two or more NV centers are measured simultaneously, and we extract temporal and spatial correlations in their signals that would otherwise be inaccessible. We demonstrate measurements of correlated applied noise using spin-to-charge readout of two NV centers and implement a spectral reconstruction protocol for disentangling local and nonlocal noise sources.
