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，可以測量納米級磁場。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 教授實驗室的研究人員設(shè)計了一種利用缺陷自旋來測量鉆石中其他單電子缺陷行為的新方法。

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

“我們設(shè)計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)測量難以捉摸的，”Awschalom 說。“這將影響我們設(shè)計量子系統(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)隊在阿貢國家實驗室的設(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 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材料中其他缺陷自旋的行為敏感。這是因為無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)。這會導(dǎo)致系統(tǒng)中的退相干性，從而影響其作為傳感器的實用性。

“即使我們很好地控制了氮?dú)獾氖┯梦恢�，我們最終總是會遇到這種背景噪音，”Marcks 說�！耙驗槲覀兿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)隊使用激光器和自制顯微鏡系統(tǒng)來測量 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)隊意識到他們可以將 NV 中心用作附近氮電子電荷的納米級傳感器，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力學(xué)，甚至包括單個缺陷。

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

該團(tuán)隊與 Aashish Clerk 教授和 Giulia Galli 教授合作，他們的團(tuán)隊提供了理論和計算工具，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)隊將利用這些知識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)合實驗、理論和計算，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。