科學(xué)家打造出新型鉆石量子傳感器
科技日?qǐng)?bào)訊（記者張佳欣）在比光波長(zhǎng)更小的空間里，電流與磁場(chǎng)的行為常常超出直覺(jué)難以直接觀測(cè)。據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于工程化鉆石缺陷打造出新型鉆石量子傳感器，其磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)提升約40倍，可揭示凝聚態(tài)材料中此前“不可見(jiàn)”的隱秘磁波動(dòng)，為研究石墨烯、超導(dǎo)體等量子材料打開(kāi)新窗口。
由普林斯頓大學(xué)的娜塔莉·德·萊昂領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于實(shí)驗(yàn)室培育鉆石中糾纏點(diǎn)缺陷的新型量子傳感技術(shù)，能夠測(cè)量目前最先進(jìn)的設(shè)備也無(wú)法觸及的現(xiàn)象。該傳感器為研究凝聚態(tài)物理提供了一種新的視角。圖片來(lái)源：普林斯頓大學(xué) 該方法基于實(shí)驗(yàn)室培育的超高純度鉆石。這些鉆石比天然鉆石純凈得多，植入的缺陷極其微小，數(shù)十億個(gè)原子組成的晶格中僅缺失一個(gè)原子。由于這些缺陷會(huì)與磁場(chǎng)強(qiáng)烈相互作用，并且可以被精確設(shè)計(jì)，它們便成為極佳的磁場(chǎng)傳感器。
團(tuán)隊(duì)在鉆石表面植入兩個(gè)相距僅約10納米的氮空位中心，使它們?cè)诹孔恿W(xué)層面發(fā)生相互作用并形成糾纏。糾纏狀態(tài)下，兩個(gè)缺陷如同“協(xié)同工作”的雙探針，可從噪聲背景中提取高度相關(guān)的磁信號(hào)，從而顯著提升靈敏度。此前類(lèi)似研究多依賴(lài)原子陣列等理想體系，但新技術(shù)能夠直接在真實(shí)材料中探測(cè)磁現(xiàn)象。
氮空位中心的植入過(guò)程頗具技術(shù)挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)以超過(guò)每秒3萬(wàn)英尺的速度用氮分子轟擊鉆石，使分子解離成兩個(gè)氮原子，并在可控能量下穿透至鉆石表面下約20納米處。如此精確的深度與間距使氮原子電子自發(fā)產(chǎn)生量子糾纏，成為實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)的關(guān)鍵。
這一突破使研究人員首次在原子尺度至可見(jiàn)光波長(zhǎng)之間的關(guān)鍵區(qū)間，直接觀測(cè)此前難以獲取的磁噪聲與電子行為，包括電子在材料中傳播與散射的過(guò)程，以及超導(dǎo)材料在特殊條件下出現(xiàn)的磁通渦旋演化。
團(tuán)隊(duì)表示，新型量子傳感器未來(lái)有望用于研究非常規(guī)超導(dǎo)、拓?fù)淞孔討B(tài)等前沿課題，并為下一代量子材料設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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