芝加哥大学的研究人员通过研究原子层面的缺陷，已找出提高金刚石量子传感器性能的方法。

这些传感器利用金刚石中的氮空位 (NV) 中心来测量磁场，但往往会受到附近缺陷的干扰。而新方法能隔离这些干扰因素，有望为未来的导航和医疗保健技术带来更好的传感器。

量子亏损及其应用

量子缺陷可作为超灵敏传感器，具有巨大潜力，可能应用于先进的导航系统和生物传感技术中。

这些系统中的一个关键示例是金刚石中的氮空位 (NV) 中心，它们能够测量纳米级磁场。这些 NV 中心是金刚石中的个别缺陷，其中氮原子取代了碳原子。虽然科学家可以控制这些 NV 中心的量子自旋，但他们仍然面临着将这些自旋与材料中其他附近缺陷的自旋隔离开来的挑战。这些相邻的自旋会干扰 NV 中心的量子记忆或相干性。

为了充分发挥这些传感器的潜能，研究人员需要了解材料在原子层面的表现。芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）最近开展了一项研究，大卫·奥施拉姆（David Awschalom）教授领导的团队开发了一种新方法，利用氮空位中心的自旋来测量金刚石中其他单电子缺陷的行为。

这项新见解已作为编辑建议发表在《物理评论快报》上，预计将推动改进相干时间更长的量子传感器，从而提高其整体性能。

Awschalom 介绍称：“我们设计了一种方法来观察某些单量子自旋态的行为，而这些行为用标准测量方法是难以捉摸的。这将影响我们构建量子系统的方式，以及我们对许多材料中电荷的认识。”

提升量子系统中的测量技术

由PME博士毕业生及阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory) 现任博士后研究员乔纳森·马克斯 (Jonathan Marcks) 领导的科研团队在阿贡国家实验室的设施中合成了这些NV中心。他们通过化学气相沉积法逐层生长金刚石，并只能引入几纳米厚的氮掺杂剂来创建单个NV中心。

这些单自旋缺陷具有高度相干性，但其自旋仍然对材料中其他缺陷自旋的行为很敏感。这是因为无论金刚石生长得多么精细，最终都会产生具有自身自旋的非故意氮缺陷。这会导致系统退相干，影响其作为传感器的实用性。

对电子电荷动力学的新见解

为了更好地理解这些单氮电子缺陷，研究团队使用激光和自制的显微镜系统对NV中心进行测量。NV中心发射的光子数量取决于其自身的自旋状态。由于这些中心与其他自旋相互作用，研究团队意识到他们可以将NV中心用作附近氮电子电荷的纳米级传感器，否则这些电荷是看不见的。

该过程使他们首次观察到该材料内自旋和电荷动力学的耦合现象，直至单个缺陷。

马克斯（Marcks）说：“我们预计氮缺陷都只会具有单一电荷态，但它们实际上是在来回翻转的，并不总是处于同一电荷态”。“这与我们从固体物理学中的假设不同。”

该团队与阿希什·克拉克 (Aashish Clerk) 教授和朱莉娅·加利 (Giulia Galli) 教授携手合作，这两位教授的团队提供了理论工具和计算工具，帮助研究人员更好地理解他们的观察结果。

最终，研究团队将利用这些知识，不仅更好地了解这些材料系统的性能表现，而且还将制造更出色的量子传感器。

加利（Galli）说:“通过结合实验、理论和计算，我们有了如何为新兴量子技术创造极其纯净的材料并控制其中一些内部噪声源的想法。”

参考文献：“Quantum Spin Probe of Single Charge Dynamics”（单电荷动力学的量子自旋探测），作者为乔纳森·C·马克斯、米基塔·奥尼朱克、王宇鑫、朱易之、于金、本杰明·S·索洛韦、马萨亚·福卡米、纳扎尔·德列甘、F·约瑟夫·赫雷曼斯、阿希什·A·克拉克、朱莉娅·加利和大卫·D·奥施拉姆，发表于2024年9月25日，收录于《物理评论快报》。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.130802

论文的其他作者包括米基塔·奥尼修克、王羽馨、朱轶之、于瑾、本杰明·S·索洛韦、冨上正弥、纳扎尔·德列甘和约瑟夫·F·赫雷曼斯。

资金来源：美国能源部、美国国防部（空军科学研究办公室）、美国国家科学基金会

这项工作得到了美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心的支持，是该中心Q-NEXT项目的一部分。