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量子缺陷有可能充當(dāng)超靈敏傳感器，可以提供新型導(dǎo)航或生物傳感器技術(shù)。

這些缺陷系統(tǒng)中的一種類型，即金剛石中的氮空位 （NV） 中心，可以測(cè)量納米級(jí)磁場(chǎng)。但是，盡管科學(xué)家可以控制這些中心的量子自旋（金剛石中的單個(gè)缺陷，其中氮已經(jīng)取代了碳），但他們?nèi)匀粵]有完全了解如何最好地將該自旋與材料中其他缺陷的自旋區(qū)分開來，這可能會(huì)破壞其量子態(tài)記憶或相干性。

只有通過研究這種材料在原子水平上的工作原理，科學(xué)家和工程師才能實(shí)現(xiàn)這些傳感器的潛力。在芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院 （PME） 的新研究中，David Awschalom 教授實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了一種利用缺陷自旋來測(cè)量鉆石中其他單電子缺陷行為的新方法。

這一新認(rèn)識(shí)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，將用于制造更好的量子傳感器，以保持較長的相干時(shí)間。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法來查看單量子自旋態(tài)的某些行為，否則這些行為被證明是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量難以捉摸的，”Awschalom 說�！斑@將影響我們?cè)O(shè)計(jì)量子系統(tǒng)的方式以及我們?nèi)绾慰创�許多材料中的電荷。”

尋找測(cè)量背景噪聲的方法

在 PME 博士畢業(yè)生和現(xiàn)任博士后研究員 Jonathan Marcks 的領(lǐng)導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施中綜合了這些 NV 中心。它們通過化學(xué)氣相沉積逐層生長金剛石，并且只需引入幾納米的氮摻雜劑即可形成單個(gè) NV 色心。

這些單自旋缺陷是高度相干的，但它們的自旋仍然對(duì)材料中其他缺陷自旋的行為敏感。這是因?yàn)闊o論鉆石生長得多么小心，它總是以意外的氮缺陷告終，這些缺陷有自己的旋轉(zhuǎn)。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的退相干性，從而影響其作為傳感器的實(shí)用性。

“即使我們很好地控制了氮?dú)獾氖┯梦恢�，我們最終總是會(huì)遇到這種背景噪音，”Marcks 說�！耙�?yàn)槲覀兿Ｍ�生長高度連貫的氮空位中心，所以我們想更好地了解這些周圍缺陷的行為和相互耦合。”

測(cè)量附近的電子電荷

為了更好地了解這些單一的氮電子缺陷，該團(tuán)隊(duì)使用激光器和自制顯微鏡系統(tǒng)來測(cè)量 NV 中心。NV 中心發(fā)射的光子數(shù)取決于 NV 中心的自旋狀態(tài)。由于這些中心與其他自旋相互作用，該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到他們可以將 NV 中心用作附近氮電子電荷的納米級(jí)傳感器，否則這是不可見的。

該工藝使他們首次觀察到這種材料中的耦合自旋和電荷動(dòng)力學(xué)，甚至包括單個(gè)缺陷。

Marcks 說：“我們預(yù)計(jì)氮缺陷都只有一個(gè)充電狀態(tài)，但它們實(shí)際上會(huì)來回翻轉(zhuǎn)，而且它們并不總是處于相同的充電狀態(tài)�！斑@與我們從固態(tài)物理學(xué)中假設(shè)的不同。”

該團(tuán)隊(duì)與 Aashish Clerk 教授和 Giulia Galli 教授合作，他們的團(tuán)隊(duì)提供了理論和計(jì)算工具，使研究人員能夠更好地理解他們的觀察結(jié)果。

最終，該團(tuán)隊(duì)將利用這些知識(shí)來更好地了解這些材料系統(tǒng)的行為方式，并構(gòu)建更好的量子傳感器。

“通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算，我們有了如何為新興量子技術(shù)創(chuàng)造極其清潔的材料并控制其中一些內(nèi)部噪聲源的想法，”Galli 說。

該論文的其他作者包括 Mykyta Onizhuk、Yu-Xin Wang、Yizhi Zhu、Yu Jin、Benjamin S. Soloway、Masaya Fukami、Nazar Delegan 和 F. Joseph Heremans。