购物者喜欢完美无瑕的钻石，但对于量子物理学家来说，瑕疵才是最好的部分。

高级 Elisabeth Rülke 在过去的一年里一直在使用激光和有缺陷的钻石——带有单个原子大小缺陷的微小钻石晶片——来开发量子传感器。

设备中心的透明晶圆是一块金刚石板，边长 2 毫米，厚度 0.3 毫米，带有原子尺寸的缺陷，Rülke 和她的顾问娜塔莉·德莱昂 (Nathalie de Leon) 在这些缺陷上发射绿色和橙色激光。

拍摄者工程通信办公室的 David Kelly Crow

与理论多于实践的量子计算机不同，量子传感器已经投入使用。Rülke 和她的导师、量子物理学家Nathalie de Leon正在研究一种新的量子传感方法，该方法依赖于同时使用其中的两个单原子缺陷。

“因为它们是如此之小，所以你可以开始以前所未有的规模绘制和感知事物，”攻读应用和计算数学证书的物理专业人士 Rülke 说 。“这对化学、生物学，尤其是医疗设备来说将是革命性的。”

“与像伊丽莎白这样非常聪明的学生一起工作总是一种特权，”德莱昂说，他是电气和计算机工程副教授，也是物理系的副教授。“她带来了全新的视角和对事物的不同看法，这为该项目带来了比我认为否则会发生的更多的创造力。我很幸运能来到普林斯顿，让这些非常优秀的学生来敲我的门。”

Rülke 在来普林斯顿之前就知道自己想学习物理和天文学，但她也知道自己想充分利用文科。“我选修了历史、哲学、宗教、创业、电影、艺术等课程，我相信这是我在普林斯顿学习的基石。普林斯顿文科教育的精彩之处在于它允许你选修一系列学科的课程，这意味着你选择的专业并不是你教育的唯一重点，就像大多数英国大学和我想在美国学习的充分理由，”在伦敦出生和长大的 Rülke 说。

“我确实认为，在高等物理和数学课程以及人文学科中使用的批判性和创造性思维存在重叠，”她补充道。

当普林斯顿大学在 Rülke 第一年的 3 月关闭校园以禁止面对面教学时，她回到伦敦的家中参加 Zoom 课程。那年夏天，旅行限制放宽后，她和普林斯顿的一位同学搬进了罗马的一套公寓。“那年秋天我上了一门艺术史课，那真是太棒了，”Rülke 说。“我记得有一项任务要求我们‘无论身在何处’都去寻找艺术。” 我的大多数同学都喜欢看他们家的茶壶，而我选择了贝尼尼的雕塑。”

回到校园后，她决定将她的第一篇初级论文集中在一个真正巨大的问题上：宇宙中暗能量的本质。

“她没有上过广义相对论的课程，也没有上过宇宙学的课程，她一点也不害怕，”普林斯顿的阿尔伯特·爱因斯坦科学教授保罗·斯坦哈特说，她也是她的物理学教授该论文的顾问。“这对她来说显然是一种压力，但她充满了活力和热情。我真的很喜欢看到学生伸展和学习，这无疑是伊丽莎白的特点。那个学期她摔断了腿，但她仍然总是带着热情、愉快和许多伟大的研究问题来参加我们的每周例会。”

在他们一起完成那篇论文之后，Steinhardt 担任了 Rülke 的第二篇初级论文的第二位读者，然后在她的毕业论文中再次扮演了这个角色。“到我们结束时，我会读完她所有的论文，”他说。

各个尺度的物理学，从宇宙学到量子学

Rülke 来到普林斯顿，知道她想全身心投入 STEM——科学、技术、工程和数学——尤其是物理学和天文学。

“普林斯顿天体物理学和物理系绝对令人惊叹，”她说。“我觉得很幸运。进普林斯顿后，我去参观了爱因斯坦的旧教室，然后步行去了他家，离校园很近。”

在实验室中，Rülke 执行共聚焦扫描以定位金刚石晶格中的 NV 中心。

拍摄者Denise Applewhite，通讯办公室

在为她的第一个独立研究项目解决理论宇宙学问题后，她想尝试一些更实际的事情，所以她写了第二篇关于等离子体推进的初级论文。“两者都非常非常有趣。第一个非常理论化，第二个几乎是实验性的，”她说。“我实际上是带着工具爬进了一个推力箱，并在里面摆弄东西。因此，对于我的论文，我想要介于两者之间的东西。”

她开阔的视野帮助 Rülke 很好地解决了量子传感问题，这个问题汇集了物理学、化学和工程学的教授，目标是解决从生物物理学和生物医学应用到凝聚态物理学和设计新导航系统的范围广泛的问题传感器。

“我的研究小组的一般精神是尝试尽可能无边界地看待问题，”德莱昂说。“我们处理问题的方法往往始于‘解决这个问题需要什么？我们拥有所有的物理学、所有的化学和所有的材料工程——所有人类的工具——所以让我们看看我们是否可以通过 MacGyver 找到解决方案。伊丽莎白绝对融入水中。”

钻石由纯碳制成，木炭和铅笔中的石墨也是如此。但是你可以用铅笔（和木炭）写字，因为这些碳原子被组织成片状，在最小的压力下就会滑开，留下痕迹。

相比之下，钻石中的碳原子在巨大的压力下被迫聚集在一起，将原子聚集在一起形成一个完美而复杂的网络。这带来了另一个独特的特性：当一个氮原子推进并取代两个碳原子时，它会产生一个微小的缺陷，称为“氮空位中心”或“NV 中心”。

NV 中心就像微小的罗盘针一样，已被用于可以测量磁场的量子传感器。在 COVID 大流行期间在家隔离时，de Leon 开始想知道如果有两个 NV 中心，在钻石芯片内精确分开会发生什么。

事实证明，虽然同时测量两个氮空位要困难得多，但一旦你这样做了，你就可以测量新的物理量，即磁场在空间和时间上的相关性。de Leon 说，通过同时测量两个 NV 中心，纳米级测量的全新世界是可能的。

“这是一个全新的事物，”她说。“世界是我们的牡蛎。我们可以使用这种测量全新物理量的新技术。所以让我们清理一下！让我们来看看人们在 80 年代尝试做的所有事情，然后因为没有合适的工具而陷入困境。也许我们可以学习一些非常酷的物理学。这就是伊丽莎白进来的地方。”

导航不确定性

从大流行灵感到同时测量两个 NV 中心的航程花费了数年时间。De Leon 和她实验室的博士后 Jared Rovny 花了 18 个月的时间进行数学计算，并花费了比这更长的时间来弄清楚如何构建一种工具，让你将激光照射在两个原子大小的物体上，然后计算飞出的光子。他们首先以 500 纳米的分辨率展示了这项技术。（为了比较起见，这句话末尾的句点大约是一百万纳米。）Rülke 的毕业论文专注于将分辨率从 500 纳米提高到 10 纳米甚至可能是一纳米。

Rülke 将她在大学的课程作业和独立研究项目归功于培养她应对不确定性和直面挑战的能力。

“我记得一次三小时的物理考试只有两道题。你必须花很多时间在黑暗中四处摸索，努力思考如何去做，从什么方法开始——并培养这样做的技能，让你成为一个能够真正批判性思考而不是害怕的人如果你要直面一个看不到尽头或不知道如何解决的问题。

“在高中时，我讨厌这类问题，”她说。“我喜欢找到答案并把它做对。这种增长发生在普林斯顿。”

自治与支持

她和德莱昂都喜欢他们每周的论文指导会议。

“我有足够的自主权来决定我到底想做什么，”   Rülke 说。但de Leon 也提供了足够的帮助，“以确保我拥有正确的背景知识。”

“她总是非常阳光和热情地出现在我的办公室，”德莱昂谈到Rülke时说。“我不知道她从哪里得到那么多精力。即使是期中考试或申请季的中期，她仍然会出现并说，‘好吧，这就是我所做的。看看我所有的数据。让我们讨论一下。这是我的计划。我觉得这件事真的很有趣。'”

在她的课程之外，Rülke 是 Mathey 学院的成员，她担任大学小屋俱乐部的多样性、公平和包容主席。她通过凯勒中心和创业俱乐部参与创业，并与硅谷老虎赛道一起前往加利福尼亚与企业家、风险投资公司和太空相关公司会面。

她获得了 Manfred Pyka 物理学纪念奖，该奖项授予在课程学习和独立研究方面表现出色的优秀物理学本科生；Jocelyn Bell Burnell 奖学金，旨在鼓励女性追求物理学；苏世民奖学金，用于支付北京清华大学一年制硕士课程的费用。

Rülke 说她觉得“有一种成为全球公民的冲动”，因为她出生在英国，父亲是德国人，母亲是中国人。

“我的文化身份很复杂，”她说。“我在世界各地都有家人，有时混血意味着你觉得自己无法完全融入任何地方。在德国或中国探亲时，我从来都不像其他人。

“小时候，这有时让我觉得格格不入，但随着我长大，我开始享受它，”Rülke 说。“我认为站出来比消失在人群中要好得多。”