Termometria con risoluzione al microkelvin alla scala nanometrica

Abstract degli autori

Misurare con precisione la temperatura di eventi transitori alla scala nanometrica è difficile a causa della scarsa sensibilità dei sensori disponibili. I nanodiamanti contenenti centri azoto-vacanza (NV) sono stati utilizzati per la termometria su scala nanometrica in ambienti complessi, anche all’interno di cellule viventi. Le loro prestazioni, tuttavia, sono state limitate da tempi di coerenza brevi e da bassi conteggi di fotoni. In questo lavoro utilizziamo nanodiamanti a doppio NV purificati isotopicamente e un chip per il rilevamento quantistico realizzato su misura per mostrare un miglioramento di un ordine di grandezza nella sensibilità delle misurazioni della temperatura rispetto ai risultati precedenti. Dimostriamo misurazioni affidabili della temperatura con un errore di 682 $μ$K, sensibilità sperimentali inferiori a 50 mK/$\surd \text{Hz}$ e una sensibilità limitata dal rumore shot di 9.6 mK/$\surd \text{Hz}$. Per confermare l’utilità di questi nanotermometri ad alte prestazioni, quantifichiamo la variazione di temperatura causata dalla misurazione stessa, in particolare dal laser di eccitazione ottica utilizzato per sondare lo stato di spin NV. Inoltre, osserviamo direttamente alla scala nanometrica il riscaldamento transitorio causato dalla miscelazione esotermica del dimetilsolfossido in acqua. Una termometria con risoluzione sub-millikelvin e sensibilità millikelvin apre la possibilità di monitorare minime fluttuazioni termiche nei sistemi viventi e di valutare le prestazioni dei catalizzatori alla scala nanometrica.