量子缺陷有可能充當超靈敏傳感器，可以提供新型導航或生物傳感器技術。

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），但他們仍然沒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，科學家和工程師才能實現(xiàn)這些傳感器的潛力。在芝加哥大學普利茲克分子工程學院 （PME） 的新研究中，David Awschalom 教授實驗室的研究人員設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準測量難以捉摸的，”Awschalom 說。“這將影響我們設計量子系統(tǒng)的方式以及我們如何看待許多材料中的電荷。”

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 的領導下，研究團隊在阿貢國家實驗室的設施中綜合了這些 NV 中心。它們通過化學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。這會導致系統(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氣的施用位置，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，甚至包括單個缺陷。

Marcks 說：“我們預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，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)物理學中假設的不同�！�

該團隊與 Aashish Clerk 教授和 Giulia Galli 教授合作，他們的團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果。

最終，該團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，并構建更好的量子傳感器。

“通過結合實驗、理論和計算，我們有了如何為新興量子技術創(chuàng)造極其清潔的材料并控制其中一些內部噪聲源的想法，”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。