Quant-ERA: Skálázható elektromosan kiolvasható gyémánt spineken alapuló kvantumbit technológia egyedi molekulák képalkotása céljából  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
127889
típus NN
Vezető kutató Gali Ádám
magyar cím Quant-ERA: Skálázható elektromosan kiolvasható gyémánt spineken alapuló kvantumbit technológia egyedi molekulák képalkotása céljából
Angol cím Quant-ERA: Scalable Electrically Read Diamond Spin Qubit Technology for Single Molecule Imagers
magyar kulcsszavak nitrogén-vakancia centrum, sűrűségfunkcionál-elmélet, elektromosan detektált mágneses rezonancia
angol kulcsszavak nitrogen-vacancy center, density functional theory, electrically detected magnetic resonance
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Kondenzált anyagok tulajdonságai
zsűri Fizika
Kutatóhely SZFI - Elméleti Szilárdtest-fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők Somogyi Bálint
Udvarhelyi Péter
projekt kezdete 2018-03-01
projekt vége 2021-10-31
aktuális összeg (MFt) 47.977
FTE (kutatóév egyenérték) 5.39
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gyémántalapú kvantumszenzorok a piacon forgalmazott első kvantumtechnológiás eszközök lesznek, mágneses mérésekre, orvosi, biológiai és kémiai felhasználásra célozva. A Q-Magine projekt az NV hiba spinállapotának forradalmi méréstechnikájára alapul, mely az NV-beli elektronspin-rezonanciák hibrid fotoelektromos mérésén alapul. Ezt a konzorcium tagjai fejlesztették ki, és kvantumbit-mátrixok építésére is használták.

A célok a következőek:
1. Finomítjuk az NV qubitek fotoelektromos kiolvasását, amiben a konzorciumunk már élen jár. A hibrid fotoelektromos kiolvasás technológiáját egy stabil alaptechnológiává fejlesztjük.
2. Élre törünk a kétdimenziós mátrixos kvantumszenzorok alkalmazásában, erre nanoméretű (min. 50 nm) NV-pixeleket használunk, és kifejlesztük ezen mátrixok kiolvasásának protokollját.
Ez általában hasznos lesz a kvantumrendszerek kutatása terén, hiszen áttörést jelenthet az elektronikus gyémántcsipre ültetett kvantumbit-mátrixok használatában.
3. Gyémántalapú szenzorokat gyártunk szilíciumlapkára ültetve, illetve elektronikusan is integrálva a mai félvezetőalapú technológiákba.
4. Kifejlesztjük egyedi fehérjemolekulák manipulálását is a gyémántfelületen. Protokollt fejlesztünk, mely a kvantum-Fisher-információs módszeren alapulva molekuláris szintű háromdimenziós szerkezet-meghatározást tesz lehetővé.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A három kulcsfontosságú célunk ebben a projektben:
1. Egyedi NV centrumokat kiolvasó elektronikus csip, és egyszerű fotoelektromos kiolvasási protokoll.
2. Kvantum-multiplexelés és a megfelelő csatlakozások kialakítása révén a qubit-mátrixok kiolvasása és ilyen eszközök gyártása.
3. Nagy spektrális felbontású NMR-protokollok kidolgozása, kvantumos hibakorrekció a fotoelektromos csipben, és ezek használata egyedi fehérjemolekulák kémiájának feltérképezésére, molekuláris dinamikának és a fehérjemolekulák kölcsönhatásainak eddig lehetetlen megfigyelésére.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az elektronspin fotoelektromos (PDMR) kiolvasásának előnye az optikaihoz (ODMR) képest – melyet az NV centrumban már alkalmaztunk – a kb. ezerszeres érzékenység, a miniatürizáció, a skálázhatóság és a (félvezető-) elektronikával való kompatibilitás. A Q-Magine projekt egyedi NV centrumot tartalmazó csipet, illetve ezt kiolvasó protokollokat fejleszt, melyek a nanoméréstechnikában használhatóak. Kétdimenziós mátrixokban használható szenzorokat is fejlesztünk, és ezt a technológiát molekuláris szintű, párhuzamosított megfigyelésekre is használjuk.

A biológia egyik legfontosabb kihívása egy széleskörű laboratóriumi használhatóságú elektronikus eszköz megvalósítása, mely használható lenne az élet alapvető építőköveinek vizsgálatára. Ezek a kvantumszenzoros eszközök valós időben térképezhetnék fel és követhetnék a biokémiai folyamatokat.

A Q-Magine kutatás ezen képességek demonstrálásán túllépve kifejleszti ezeket a szenzorokat, melyek egyedi fejérjemolekulákat, kémiai eltolódást vizsgálnak alacsony mágneses tér mellett. Erre jelenleg drága, speciális laborokba telepített, makroszkopikus szintű berendezések szolgálnak (pl. az Orbitrap Mass Spectrometer 700 ezer euróba került). A Q-Magine csip ezt szeretné egy miniatürizált eszközzel felváltani, mely elektronikus csatolással ellátott NV ponthibán alapul. A technológia erejének demonstrálása végett azt az élettudomány számára kifejezetten vonzó célt tűzzük ki, hogy kifejlesztünk egy kvantumos fehérjeszekvenáló eszközt.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Új világot teremtett a kvantumos méréstechnológiában a gyémántbeli nitrogén-vakancia hiba qubitjének szobahőmérsékleten való használata, mely molekuláris szintű mérésre is alkalmas. Valószínűsíthetően a mágneses, orvosi, biológiai és kémiai mérésekre való gyémántalapú kvantumszenzorok a technológia első kommersz képviselői lesznek a piacon.

A Q-Magine kutatás azzal a forradalmi fejlesztéssel járul ehhez hozzá, hogy egy szobahőmérsékletű hibrid fotoelektromos kiolvasási eljárást fejleszt az NV centrum mellé, melynek alapját a konzorcium tagjai fedezték fel. Ezt qubitekből álló mátrixok építésére is használjuk.

Az elektromos kiolvasás skálázhatóvá és a mai áramköri technológiához illeszkedővé teszi ezt az eszközt – ezzel egy jelentős akadályt hárít el az alkalmazás útjából. Az ilyen eszközök hatalmas alkalmazási potenciál előtt állnak a biológiában, ahol pl. csipméretű fehérjeszekvenáló eszközzé válhatnak. Ez aztán általános molekuláris mágnesesrezonancia-alapú méréstechnikává fejleszthető. Ezt az ultraérzékeny szenzort más iparágak is használhatják majd, például az elektronika, a járműgyártás, az orvosi diagnosztika és a repülőgépgyártás.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Diamond quantum sensors will be one of the first quantum technology devices on the market, with applications in magnetic field sensing and sensors for medicine, biology, and chemistry. The Q-Magine project comes with a disruptive approach for NV spin projection measurements, by developing hybrid photoelectric detection of NV electron spin resonances at room temperature, introduced jointly by the applicants and used for constructing single qubit matrix sensors.

The objectives of the Q-Magine project are as follows:
(i) We will advance the principle of photoelectric readout of NV qubits in diamond,
pioneered in joint collaboration by the members of the consortium. Hybrid
PDMR spin projection measurements on individual NV spins technology will be developed,
as an essential working horse technology.
(ii) We will pioneer 2D matrix quantum sensor principles utilising nanosized (down to 50 nm) single NV pixels and develop protocols essential for quantum readout of sensor arrays. This technique will also be beneficial to general quantum research, allowing the disruptive scalable technology of qubit arrays on electrical diamond chips.
(iii) We will fabricate diamond sensors flip-chipped on Si wafers and integrated with
peripheral electronics, resulting in diamond devices compatible with semiconductor
technologies.
(iv) We will develop placement of single protein molecules on diamond. We will
also develop protocols based on Quantum Fisher Information (QFI) methodology to decode
with ultimate spatial resolution 3D structure at molecular level.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The three critical scientific goals of the project are the following:
(i) Achievement of single NV electrical detection quantum chip and single shot PDMR
protocols.
(ii) Developing of quantum multiplexing and interfacing for reading array of pixels and
device fabrication.
(iii) Developing high spectral resolution NMR protocols, quantum error correction operated on PDMR chips and using the developed techniques for decoding chemical information of single protein molecules, recording single molecule dynamics and protein-protein interactions, not realized yet.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The advantage of PDMR, compared to the Optical Detection of Magnetic Resonance (ODMR), currently widely used for NV spin readout, is ~ 1000 (and more) times higher detection rate, miniaturisation, compactness, scalability and possibility of interfacing to peripheral electronics. The Q-Magine project addresses the development of single NV diamond chip, and advanced quantum readout protocols for sensing. An original approach will be developed to construct 2D matrix addressable sensors. This technique will be used for resolving in parallel single molecular processes.

One of key challenges in biological science is realisation of electronic lab-on-chip devices for molecular diagnostics such as for genomics, peptonics, proteomics, metabolomics etc., usually termed as Single-Cell-Omics. Such devices are anticipated to analyse and image products of on-going biomolecular reactions in biological environment in the real time by quantum sensors.

The Q-Magine proposal targets progress beyond these demonstrated principles by developing sensors for chemical analysis and determination of single proteins, chemical shift analysis avoiding strong magnetic fields. Today only a costly macroscopic instrumentation for proteomic diagnostics is available (for example the cost of Orbitrap Mass Spectrometer is ~ 700 kEuro), available at specialised labs. The Q-Magine chip has the aspiration for replacing this equipment with a miniaturised molecular lab-on-chip constructed of an electrically interfaced diamond NV quantum device. To demonstrate this technique Q-Magine concentrates on one of most impacting applications in the life science to develop a quantum proteome sequencer.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Ground-breaking progress in quantum metrology using NV diamond single spin qubits operating at room temperature led to imaging of single molecules. It is further anticipated that diamond quantum sensors will be one of the first quantum technology devices on the market, with applications in magnetic field sensing and sensors for medicine, biology, and chemistry.

The Q-Magine project comes with a disruptive approach for NV spin projection measurements, by developing hybrid photoelectric detection of NV electron spin resonances at room temperature, introduced jointly by the applicants and used for constructing single qubit matrix sensors.

The electrical readout provides additionally device scalability and compatibility with semiconductor processing methods, which is one of the bottleneck issues for pushing forward the quantum technologies. These devices have high application potential in biology, e.g. as a quantum lab-on-chip proteome sequencer. This approach will progress towards single molecular NMR imaging. At the same time there is a wide span of industrial applications for the ultrasensitive detection using the magnetic field, that can profit from the imagers developed in Q-Magine, e.g. in the consumer electronics, automotive, medical diagnostics, and aerospace sectors.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatásoknak két fő csapásiránya volt: 1) Megérteni a nitrogén-vakancia (NV) centrum fizikáját annak érdekében, hogy olyan kvantumoptikai méréseket tudjunk végezni, amivel javítani lehet a fotoelektromos kiolvasást; 2) találni olyan színcentrumokat a gyémántban, amelyek alternatívái lehetnek az NV centrumnak. 1) Áttörést sikerült elérnünk az NV centrum optikai spinpolarizációs körfolyamatának megértésében, ami segítette, hogy egy érvényes modellt állítsunk fel a gyémánt NV centrum egyedi magspinjének fotoelektromos kiolvasásának optimalizálása céljából. Kiszámítottuk az NV centrum fluoreszcencia spektrumának spektrális diffúzióját és jól megértettük annak eredetét. Emellett az (113) felületű gyémánt ideális fedését azonosítottuk kvantumszenzor felhasználás céljából. 2) Azonosítottuk a gyémánt nikkel-vakancia (NiV) centrum fotoelektromos jelét a gyémántban. A NiV centrumot alaposan jellemeztük olyan kvantumoptikai protokollt javasolva, amellyel kvantumbitként lehetne használni. Emellett azonosítottuk a magnézium-vakancia centrumot a gyémántban, amelynek gazdag magas-spinű elektronállapotai vannak, amelyeket mechanikai deformációval és hőmérséklettel lehet hangolni. Az eredményeket magas rangú folyóiratokban publikáltuk (pl. Nature Communications) és két áttekintő cikkben is összefoglaltuk (egy egyszerzős cikkben és egy Nature Materials Reviews cikkben).
kutatási eredmények (angolul)
Our studies were focused on two main thrusts: i) understanding the physics of nitrogen-vacancy (NV) center for tight quantum optical control towards enhancing the photoelectric readout; ii) finding color centers in diamond which may be an alternative for NV center. i) We achieved a breakthrough for understanding the optical spin-polarization loop of NV center which helped us to setup a valid model for optimizing the photoelectric readout of a single nuclear spin of NV center in diamond. We calculated the spectral diffusion in the fluorescence of NV center and well understood its origin. Beside we identified an ideal surface termination for (113) diamond for quantum sensor applications. ii) We identified the photoelectric signals of nickel-vacancy (NiV) center in diamond. We characterized NiV center in detail with suggesting quantum optics protocol to use it as a qubit. Beside we identified the magnesium-vacancy center in diamond which has rich high-spin electronic structure which can be tuned by strain and temperature. The results were published in prestigious journals, e.g. Nature Communications and also summarized in two review papers (one single author paper and one paper in Nature Materials Reviews).
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=127889
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Ronald Ulbricht, Shuo Dong, Adam Gali, Sheng Meng, and Zhi-Heng Loh: Vibrational relaxation dynamics of the nitrogen-vacancy center in diamond, Physical Review B 97 220302(R), 2018
E. Londero, E. Bourgeois, M. Nesladek, and A. Gali: Identification of nickel-vacancy defects by combining experimental and ab initio simulated photocurrent spectra, Physical Review B 97 241202(R), 2018
Gergő Thiering and Adam Gali: Theory of the optical spin-polarization loop of the nitrogen-vacancy center in diamond, Physical Review B 98 085207, 2018
Song Li, Jyh-Pin Chou, Jie Wei, Minglei Sun, Alice Hu, and Adam Gali: Oxygenated (113) diamond surface for nitrogen-vacancy quantum sensors with preferential alignment and long coherence time from first principles, Carbon 145 273-280, 2019
Adam Gali: Ab initio theory of the nitrogen-vacancy center in diamond, Nanophotonics 8 1907-1943, 2019
Johannes Görlitz, Dennis Herrmann, Gergő Thiering, Philipp Fuchs, Morgane Gandil, Takayuki Iwasaki, Takashi Taniguchi, Michael Kieschnick, Jan Meijer, Mutsuko Hatano, Adam Gali and Christoph Becher: Spectroscopic investigations of negatively charged tin-vacancy centres in diamond, New J. Phys., 22 013048, 2020
Péter Udvarhelyi, Gergő Thiering, Naoya Morioka, Charles Babin, Florian Kaiser, Daniil Lukin, Takeshi Ohshima, Jawad Ul-Hassan, Nguyen Tien Son, Jelena Vučković, Jörg Wrachtrup, and Adam Gali: Vibronic States and Their Effect on the Temperature and Strain Dependence of Silicon-Vacancy Qubits in 4H-SiC, Phys. Rev. Applied 13, 054017 (2020), 2020
Naoya Morioka, Charles Babin, Roland Nagy, Izel Gediz, Erik Hesselmeier, Di Liu, Matthew Joliffe, Matthias Niethammer, Durga Dasari, Vadim Vorobyov, Roman Kolesov, Rainer Stöhr, Jawad Ul-Hassan, Nguyen Tien Son, Takeshi Ohshima, Péter Udvarhelyi, Gergő Thiering, Adam Gali, Jörg Wrachtrup & Florian Kaiser: Spin-controlled generation of indistinguishable and distinguishable photons from silicon vacancy centres in silicon carbide, Nature Communications volume 11, Article number: 2516 (2020), 2020
Emilie Bourgeois, Michal Gulka, Daniel Wirtitsch, Petr Siyushev, Huijie Zheng, Jaroslav Hruby, Arne Wickenbrock, Dmitry Budker, Adam Gali, Michael Trupke, Fedor Jelezko, and Milos Nesladek: Fundaments of photoelectric readout of spin states in diamond, Semiconductors and Semimetals, Elsevier, Volume 104, Chapter 3 (2021), 2021
Viktor Ivády, Huijie Zheng, Arne Wickenbrock, Lykourgos Bougas, Georgios Chatzidrosos, Kazuo Nakamura, Hitoshi Sumiya, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Dmitry Budker, Igor A. Abrikosov, and Adam Gali: Photoluminescence at the ground-state level anticrossing of the nitrogen-vacancycenter in diamond: A comprehensive study, Phys. Rev. B 103, 035307 (2021), 2021
Adam Gali: Ab initio theory of the nitrogen-vacancy center in diamond, Nanophotonics 8 1907-1943, 2019
Johannes Görlitz, Dennis Herrmann, Gergő Thiering, Philipp Fuchs, Morgane Gandil, Takayuki Iwasaki, Takashi Taniguchi, Michael Kieschnick, Jan Meijer, Mutsuko Hatano, Adam Gali and Christoph Becher: Spectroscopic investigations of negatively charged tin-vacancy centres in diamond, New J. Phys., 22 013048, 2020
Zi-Huai Zhang, Paul Stevenson, Gergô Thiering, Brendon C. Rose, Ding Huang, Andrew M. Edmonds, Matthew L. Markham, Stephen A. Lyon, Adam Gali, and Nathalie P. de Leon: Optically Detected Magnetic Resonance in Neutral Silicon Vacancy Centers in Diamond via Bound Exciton States, Physical Review Letters 125, 237402, 2020
Gary Wolfowicz, F. Joseph Heremans, Christopher P. Anderson, Shun Kanai, Hosung Seo, Adam Gali, Giulia Galli & David D. Awschalom: Quantum guidelines for solid-state spin defects, Nature Reviews Materials 6, 906-925, 2021
Anton Pershin, Gergely Barcza, Örs Legeza, and Adam Gali: Highly tunable magneto-optical response from magnesium-vacancy color centers in diamond, npj Quantum Information 7, 99, 2021
Michal Gulka, Daniel Wirtitsch, Viktor Ivády, Jelle Vodnik, Jaroslav Hruby, Goele Magchiels, Emilie Bourgeois, Adam Gali, Michael Trupke, and Milos Nesladek: Room-temperature control and electrical readout of individual nitrogen-vacancy nuclear spins, Nature Communications, 12, 4421, 2021
Gergő Thiering and Adam Gali: Magneto-optical spectra of the split nickel-vacancy defect in diamond, Physical Review Research 3, 043052, 2021




 

Projekt eseményei

  
2019-01-09 10:47:23
Résztvevők változása



vissza »