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　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在橡树岭国家实验室参与nEDM实验，旨在测量中子的电偶极矩，以约束粒子物理学中的理论。研究人员的目标是为nEDM实验构建传感器，并探索它们在量子信息科学中的潜在应用。氮空位金刚石独特的量子特性使其成为量子传感和量子存储器的有希望的候选者。

　　伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在寻找中子新物理学的证据，中子是电中性粒子，它们将原子核与称为强力的相互作用结合在一起。教师和研究人员正在橡树岭国家实验室参加nEDM实验，该实验将测量中子的电偶极矩，这种特性允许中子与电场相互作用，尽管它们是中性的。精确的测量将限制扩展当前粒子物理学标准模型的理论。为了实现这一目标，研究人员必须准确测量非常强电场中的细微变化。

　　物理学教授道格拉斯·贝克（Douglas Beck）获得了能源部的资助，用于开发基于氮空位金刚石的传感器，这种材料在低温下的量子特性使其对电场异常敏感。他的研究小组已经证明，这种材料可以测量强电场，该奖项将使研究人员能够构建可用于nEDM实验的传感器。此外，该材料的量子特性使其成为量子信息科学的有前途的候选者。研究人员还将探索这些潜在的应用。

　　贝克解释说，化学添加的氮空位（NV）杂质使钻石具有不寻常的电场敏感性。“这些杂质是具有额外氮原子的区域，并且碳原子通常会出现空穴[或空位]，”他说。“当材料冷却到绝对零度以上20度以下时，杂质形成一个响应电场的量子系统。这是一个非常不寻常的特征，因为没有多少系统对电场做出反应，这使得NV钻石与众不同。

　　当NV系统在特定量子态下制备时，它可以变得更加灵敏。研究人员没有让系统在冷却后保持最低能量状态，而是形成最低和次低能量状态的量子叠加态，称为暗状态，之所以如此命名，是因为它不与光相互作用。“从某种意义上说，这个名字意味着它不受与环境的相互作用，”贝克说。“因为它寿命长，所以它有一个非常清晰的能量，非常准确地告诉我们电场有多大。

　　贝克的团队已经证明，这种现象使NV钻石能够测量强电场，该奖项将使研究人员能够基于它开发可靠，强大的传感器。这将涉及将传感器封装到单元中，这些单元易于与用于控制它们的激光器连接，并最大限度地减少背景噪声的影响。贝克说，他们还在研究一种称为动态解耦的量子技术，该技术将使他们能够有效地逆转实验缺陷的影响。这将使已经精确的电场测量更加准确。

　　该研究的另一个目标是探索在量子信息科学中使用NV钻石的建议。暗状态的长寿命和对环境噪声的恢复能力使其成为量子传感和量子记忆的有前途的平台。许多这样的应用依赖于将量子系统置于具有海森堡原理允许的最小不确定性的挤压状态。已经有几项关于在NV钻石中创建挤压状态的建议，贝克的小组将调查它们的可行性。

　　这项工作将在三年内得到能源部核物理计划中量子视野计划授予的650万美元支持。

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