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日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室王亞教授等與浙江大學(xué)海洋精準(zhǔn)感知技術(shù)全國重點實驗室合作，在納米尺度量子精密測量領(lǐng)域取得重大突破，首次實現(xiàn)了噪聲環(huán)境下糾纏增強的納米尺度單自旋探測。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。
在微觀世界中，電子的“自旋”是其基本屬性之一，如同一個個微小的磁針。材料的許多宏觀特性，如磁鐵的磁性或超導(dǎo)體的零電阻，都源于這些微觀“磁針”的排列與相互作用。
探測單個自旋，對物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元進行測量，不僅能為理解物性提供全新視角，更為發(fā)展單分子磁探測技術(shù)和推進量子科技奠定堅實基礎(chǔ)。然而，由于物質(zhì)中含有大量自旋，對單個自旋的探測相當(dāng)于在喧鬧的體育場中清晰捕捉某個人的竊竊私語，這對相關(guān)技術(shù)提出挑戰(zhàn)。
金剛石氮-空位色心量子傳感器，因其納米級的分辨能力和高靈敏的磁探測能力，一直是實現(xiàn)單自旋探測的重要技術(shù)途徑。“我們朝著單自旋探測的科學(xué)目標(biāo)，通過長期積累，發(fā)展出高精度的自旋量子調(diào)控技術(shù)和金剛石量子傳感核心器件與裝備，在前期工作中已能通過頻譜差異識別出那些帶有特殊‘標(biāo)記’的單自旋。”團隊成員告訴記者。
據(jù)了解，研究團隊在十多年里著力于高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，打通了涵蓋二十多道環(huán)節(jié)的完整工藝流程，掌握了其中的關(guān)鍵工藝。他們通過材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，首次成功開發(fā)出糾纏增強型納米單自旋探測技術(shù)，在固態(tài)體系中實現(xiàn)了對微觀磁信號靈敏度與空間分辨率的同步提升，為納米尺度量子精密測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展鋪平道路。
據(jù)介紹，這項突破性技術(shù)實現(xiàn)了三大重要進展：成功區(qū)分并探測到相鄰的兩個“暗”電子自旋；在嘈雜環(huán)境中將探測靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；能夠?qū)崟r監(jiān)測并主動調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號。
該成果不僅實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢與巨大潛力，也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強大的納米磁強計，為原子層面研究量子材料打開新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。相關(guān)金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術(shù)也是實現(xiàn)室溫金剛石量子計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
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