Doctorado en detección cuántica aplicada con centros nitrógeno-vacante en diamante

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Nos encontramos al borde de la segunda revolución cuántica, el momento de la transición de la investigación en los principios cuánticos fundamentales a las aplicaciones de la vida real.

Los centros nitrógeno-vacante (NV) en diamante son uno de los sistemas cuánticos más prometedores para la detección y la computación cuántica. Este tipo de tecnologías aprovechan la posibilidad de controlar el espín asociado del centro NV para construir qbits que funcionan a temperatura ambiente y para realizar mediciones de campos eléctricos, magnéticos y otras propiedades con una sensibilidad sin precedentes, varios órdenes de magnitud mejor que las tecnologías actuales.

La propiedad más explorada y útil de los centros NV es su fotoluminiscencia, que permite a los observadores leer su estado de espín. El espín de los electrones asociados con el centro NV puede verse modificado por factores externos, como campos magnéticos o eléctricos, radiación de microondas o luz, lo que da como resultado fuertes resonancias en la intensidad de la fotoluminiscencia. Estas resonancias se pueden explicar en términos de fenómenos relacionados con el espín de los electrones, como el entrelazamiento cuántico, la interacción espín-órbita y las oscilaciones de Rabi, y se analizan utilizando la teoría de la óptica cuántica avanzada.

Está tecnología revolucionará múltiples campos de aplicación, desde la neurociencia y la biotecnología, pasando por la ciencia de materiales, hasta la seguridad y la lucha contra la falsificación.

TECNALIA ha creado recientemente un laboratorio de tecnologías cuánticas para la investigación relacionada con los procesos de fabricación, ingeniería y caracterización de cristales de diamante con centros de nitrógeno vacante. Se trata de una infraestructura científica pionera en este campo en la que se realiza investigación colaborativa con la Universidad y otros centros de investigación nacionales e internacionales.

El laboratorio dispone de una máquina CVD (Chemical Vapor Deposition) para la fabricación de diamantes sintéticos, tanto puros, como dopados con átomos de nitrógeno. Los átomos de nitrógeno alojados en la red cristalina pueden convertirse en centros NV a través de un proceso de recocido o annealing. Los centros NV también se pueden inducir en diamantes puros mediante el bombardeo con un haz de iones enfocados (FIB), también disponible en el laboratorio.

Unimos estas nuevas instalaciones de crecimiento e implantación a la experiencia en el tratamiento de superficies para diseñar estructuras optimizadas para la relaxometría. Más allá de la especificidad de detección, el objetivo general es conseguir altas sensibilidades y una elevada resolución espacial especifica para cada uso.

TECNALIA ofrece tres contratos predoctorales en el campo de la detección cuántica con centros vacantes de nitrógeno, con el objetivo de incorporarse posteriormente al equipo de Quantum Technologies y en estrecha colaboración con el Departamento de Química Física de la Universidad del País Vasco.

Los tres proyectos afrontarán temas tan diversos como:

1) el análisis de aleaciones ferromagnéticos para una mejor resiliencia

2) la construcción de un microscopio cuántico para biotecnología

3) el control independiente de múltiples espines en un volumen por debajo del límite de difracción.

Las tareas principales incluirán:

• Crecimiento de diamantes de grado cuántico.
• Implantations superficial de nitrógeno para la formación de centros NV.
• Caracterización óptica y cuántica de las estructuras de diamante desarrolladas.
• Construcción de un instrumento para el control de espín de los centros NV: En particular, resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) y relaxometría NV
• Medida y análisis.
• Desarrollo de nuevos conceptos de sensores

TECNALIA te aportará:

• Acceso a un reactor CVD (Chemical Vapor Deposition) para producir diamantes sintéticos, ya sea puros o dopados con átomos de nitrógeno.
• Acceso a un Haz de Iones Focalizados (FIB, Focused Ion Beam) para implantación iónica.
• Investigación a la vanguardia de las tecnologías cuánticas.
• Estrechar conexiones con universidades de alto perfil, así como con socios de la industria.
• Oportunidades para el pensamiento independiente y creativo y para influir en las decisiones de la investigación.
• Un equipo de trabajo amigable con un alto perfil investigador.
• Posibilidad de incorporarse al equipo de tecnología cuántica tras la finalización del doctorado.

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PhD position in Applied Quantum Sensing for ferromagnetic and paramagnetic species with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond

Quantum technology is on the edge of the second quantum revolution, transitioning research from fundamental quantum principles to real life applications.

Nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are one of the most promising quantum systems for sensing and quantum computation. These technologies take advantage of the possibility to control the associated spin of the NV center to build qbits that operate at room temperature and to make measurements of electric fields, magnetic fields and other properties with unprecedented sensitivity, several orders of magnitude better than current technologies.

The most explored and useful property of NV centers is their photoluminescence, which allows observers to read their spin state. The spin of the electrons associated with the NV center can be manipulated at room temperature by external factors, such as magnetic or electric fields, microwave radiation, or light, resulting in sharp resonances in photoluminescence intensity. These resonances can be explained in terms of phenomena related to the spin of electrons, such as quantum entanglement, spin-orbit interaction, and Rabi oscillations, and are analyzed using advanced quantum optics theory.

This technology will revolutionize multiple fields of application, from neuroscience and biotechnology, through materials science, to security and anti-counterfeiting.

TECNALIA has recently created a quantum technology laboratory for research related to the fabrication, engineering and characterization processes of diamond crystals with nitrogen-vacancy centers. This is a pioneering scientific infrastructure in this field in which collaborative research is carried out with the University and other national and international research centers.

The laboratory has a CVD (Chemical Vapor Deposition) machine for the manufacture of synthetic diamonds, either pure or doped with nitrogen atoms. Nitrogen atoms lodged in the crystal lattice can become NV centers through an annealing process. NV centers can also be induced on pure diamonds by bombardment with a Focused Ion Beam (FIB), also available in the laboratory.

We combine these new growth and implantation facilities with surface treatment expertise to design optimized structures for relaxometry. Beyond detection specificity, the overall goal is to achieve high sensitivities and high spatial resolution specific to each use.

TECNALIA offers three pre-doctoral contracts in the field of quantum sensing with NV-centers, with the aim of subsequently joining the Quantum Technologies team and in close collaboration with the Department of Physical Chemistry of the University of the Basque Country.

The three projects will address topics as diverse as:

1) analysis of ferromagnetic alloys for improved resilience

2) construction of a quantum microscope for biotechnology

3) independent control of multiple spins in a volume below the diffraction limit.

The main tasks common to the different projects will include:

• Quantum grade diamond growth.
• Surface implantation of nitrogen for the formation of NV-centers.
• Optical and quantum characterization of the developed diamond structures.
• Construction of an instrument for NV spin control: In particular, optically detected magnetic resonance (ODMR) and NV relaxometry.
• Measurement and analysis.
• Development of novel sensor concepts

TECNALIA will provide you with:

• A CVD (Chemical Vapor Deposition) reactor to produce synthetic diamonds, either pure or doped with nitrogen atoms.
• Focused Ion Beam (FIB) for implantation.
• Research at the forefront of quantum technology.
• Close connections to high-profile universities as well as industry partners.
• Opportunities for independent, creative thinking and influencing research directions.
• A family-friendly workplace.
• Possibility to join the quantum technology team after PhD completion.