Fysiker vid University of California, Santa Barbara, har utvecklat intrasslade spinnsystem i diamant som överstiger klassiska sensningsgränser med hjälp av kvanttryckning. Detta genombrott, lett av Ania Jayich och med arbete av Lillian Hughes, möjliggör kraftfullare och mer kompakta kvantsensorer för verkliga tillämpningar. Bedriften beskrivs i tre nyligen publicerade vetenskapliga artiklar.
Forskningen vid UC Santa Barbara fokuserar på laboratorieodlad diamant som ett nyckelmateral för kvantteknologier. Ania Jayich, Bruker Endowed Chair in Science and Engineering och meddirektör för NSF Quantum Foundry, leder ett team som studerar atomskaliga defekter kända som spinnkubiter i diamant för avancerad kvantsensorik.
Lillian Hughes, som nyligen avslutat sin Ph.D. och flyttar till Caltech för postdoktoral forskning, ledde en stor framsteg. Genom tre medförfattade artiklar—en publicerad i Physical Review X i mars 2025 och två i Nature i oktober 2025—visade Hughes att tvådimensionella ensemble av kvantdefekter kan organiseras och trasslas samman inuti diamant. Detta markerar en milstolpe för fastkroppssystem som erbjuder en mätbar kvantfördel i sensorik.
"Vi kan skapa en konfiguration av kväve-vakans (NV)-centerspinn i diamanterna med kontroll över deras densitet och dimensionalitet, så att de är tätt packade och djupbegränsade till ett 2D-lager," förklarade Hughes. "Och eftersom vi kan designa hur defekterna är orienterade, kan vi konstruera dem för att uppvisa icke-noll dipolära interaktioner."
Ett NV-center har en kväveatom som ersätter en kolatom och en angränsande vakans. Jayich noterade: "NV-center-defekten har några egenskaper, varav en är en frihetsgrad som kallas spinn—ett fundamentalt kvantmekaniskt koncept. I fallet med NV-centret är spinnet mycket långlivat. Dessa långlivade spinn-tillstånd gör NV-center användbara för kvantsensorik."
Till skillnad från tidigare experiment med enskilda spinn eller icke-interagerande ensembler, utnyttjar detta arbete starkt interagerande täta spinnensembler. "Vad som är nytt här är att... vi faktiskt kan utnyttja det kollektiva beteendet, som ger en extra kvantfördel och låter oss använda fenomenet kvantintrassling för att få förbättrade signal-till-brus-förhållanden," sade Jayich.
Diamantens fasta tillstånd gör den lättare att integrera än gasfasatoma sensorer, som kräver vakuumkammare och lasrar. Teamet siktar på att använda dessa sensorer för att undersöka elektroniska egenskaper hos material och biologiska system, såsom i kärnmagnetisk resonans (NMR) för att detektera små magnetfält från atomer.
För att överstiga den standardkvantgräns som sätts av projektionsbrus, använder forskarna spinntryckning, som korrelerar kvanttillstånd för att minska osäkerheten. Jayich analogiserade: "Det är som om du försökte mäta något med en måttstock som har gradueringar en centimeter isär... Genom att pressa—du effektivt använder kvantmekaniska interaktioner för att 'klämma' den måttstocken, och skapar effektivt finare gradueringar."
Den andra Nature-artikeln beskriver signalamplifiering för att stärka signaler utan att lägga till brus. Framåt förväntar sig Jayich att demonstrera kvantfördel i praktiska experiment snart, genom att förbättra tryckningen eller bilda regelbundna spinnarrayer för att kontrollera positioner mer precist.