伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的核物理小組正在參與橡樹嶺國家實驗室的nEDM實驗，目的是測量中子的電偶極矩，以約束粒子物理學的理論。研究人員旨在為nEDM實驗建造傳感器，並探索其在量子信息科學中的潛在應用。氮空穴金剛石獨特的量子特性使其成為量子傳感和量子存儲器的有希望的候選者。

藝術家的渲染圖說明了貝克小組將開發的氮空隙鑽石傳感器。內部網格線代表了激光在鑽石內的路徑–進入的光束（較粗的紅線）在鑽石傳感器內反復反射，直到它遇到切角出現（較細的紅線）。圖片由Yasmine Steele為伊利諾伊州物理學提供。資料來源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校格蘭傑工程學院

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的核物理小組正在尋找中子的新物理學證據，中子是電中性粒子，通過一種稱為強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嶺國家實驗室的nEDM實驗，該實驗將測量中子的電偶極矩，這一特性使中子儘管是中性的，但卻能與電場相互作用。一個精確的測量將約束擴展當前粒子物理學標準模型的理論。為了實現這一目標，研究人員必須準確地測量非常強的電場的微妙變化。

物理學教授道格拉斯-貝克（Douglas Beck）獲得了能源部的資助，以開發基於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電場異常敏感。他的研究小組已經表明，這種材料可以測量強電場，該獎項將使研究人員能夠構建準備用於nEDM實驗的傳感器。此外，該材料的量子特性使其成為量子信息科學的一個有希望的候選者。研究人員還將探索這些潛在的應用。

貝克解釋說，化學上添加的氮空位（或NV）雜質使鑽石具有不尋常的電場敏感性。這些雜質是帶有一個額外的氮原子和一個空洞[或空位]的區域，而這些空位通常是在碳原子的位置。當材料被冷卻到絕對零度以上不到20度時，這些雜質形成一個對電場有反應的量子系統。這是一個相當不尋常的特性，因為沒有多少系統對電場有反應，這使得NV鑽石變得特別。

當NV系統在特定的量子狀態下被製備時，它可以變得更加敏感。研究人員在冷卻該系統後，沒有讓它停留在最低的能量狀態，而是形成了一個最低和次低能量狀態的量子疊加，稱為暗態，因為它不與光相互作用而得名。

“在某種意義上，這個名字是為了暗示它對與環境的相互作用具有免疫力，”貝克說。”因為它的壽命很長，它有著非常鮮明的能量，非常準確地告訴我們電場有多大。”

貝克的研究小組已經證明，這種現象使NV鑽石能夠測量強電場，該獎項將使研究人員能夠在此基礎上開發可靠、堅固的傳感器。這將涉及到將傳感器包裝成易於與用於控制它們的激光器連接的單元，並將背景噪音的影響降至最低。貝克說，他們還在研究一種叫做動態解耦的量子技術，這將使他們能夠有效地扭轉實驗不完善的影響。這將使已經很精確的電場測量變得更加精確。

該研究的另一個目標是探索在量子信息科學中使用NV鑽石的建議。暗態的長壽命和對環境噪聲的彈性使它成為一個有前途的量子傳感和量子存儲器的平台。許多這樣的應用取決於將量子系統置於擁有海森堡原理所允許的最小不確定性的擠壓狀態，目前已經有幾個關於在NV鑽石中創造擠壓態的建議，貝克的小組將調查其可行性。

這項工作將得到能源部核物理項目中的量子地平線計劃三年內65萬美元的支持。