利用金刚石缺陷为量子传感器开发开辟了新领域

芝加哥大学普利兹克分校分子工程学院实验室的研究人员 David Awschalom 教授，包括博士后学者 Jonathan Marcks（右）和研究生 Benjamin S. Soloway，设计了一种利用缺陷自旋来测量钻石中其他单电子缺陷行为的新方法。来源：John Zich

量子缺陷有可能充当超灵敏传感器，可以提供新型导航或生物传感器技术。

这些缺陷系统中的一种类型，即金刚石中的氮空位 （NV） 中心，可以测量纳米级磁场。但是，尽管科学家可以控制这些中心的量子自旋（金刚石中的单个缺陷，其中氮已经取代了碳），但他们仍然没有完全了解如何最好地将该自旋与材料中其他缺陷的自旋区分开来，这可能会破坏其量子态记忆或相干性。

只有通过研究这种材料在原子水平上的工作原理，科学家和工程师才能实现这些传感器的潜力。在芝加哥大学普利兹克分子工程学院 （PME） 的新研究中，David Awschalom 教授实验室的研究人员设计了一种利用缺陷自旋来测量钻石中其他单电子缺陷行为的新方法。

这一新认识发表在《物理评论快报》上，将用于制造更好的量子传感器，以保持较长的相干时间。

“我们设计了一种方法来查看单量子自旋态的某些行为，否则这些行为被证明是标准测量难以捉摸的，”Awschalom 说。“这将影响我们设计量子系统的方式以及我们如何看待许多材料中的电荷。”

在 PME 博士毕业生和现任博士后研究员 Jonathan Marcks 的领导下，研究团队在阿贡国家实验室的设施中综合了这些 NV 中心。它们通过化学气相沉积逐层生长金刚石，并且只能引入几纳米的氮掺杂剂来形成单个 NV 中心。

这些单自旋缺陷是高度相干的，但它们的自旋仍然对材料中其他缺陷自旋的行为敏感。这是因为无论钻石生长得多么小心，它总是以意外的氮缺陷告终，这些缺陷有自己的旋转。这会导致系统中的退相干性，从而影响其作为传感器的实用性。

“即使我们很好地控制了氮气的施用位置，我们最终总是会遇到这种背景噪音，”Marcks 说。“因为我们希望生长高度连贯的氮空位中心，所以我们想更好地了解这些周围缺陷的行为和相互耦合。”

强耦合的自旋电荷缺陷。来源：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.130802

为了更好地了解这些单一的氮电子缺陷，该团队使用激光器和自制显微镜系统来测量 NV 中心。NV 中心发射的光子数取决于 NV 中心的自旋状态。由于这些中心与其他自旋相互作用，该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，否则这是不可见的。

该工艺使他们首次观察到这种材料中的耦合自旋和电荷动力学，甚至包括单个缺陷。

Marcks 说：“我们预计氮缺陷都只有一个充电状态，但它们实际上会来回翻转，而且它们并不总是处于相同的充电状态。“这与我们从固态物理学中假设的不同。”

该团队与 Aashish Clerk 教授和 Giulia Galli 教授合作，他们的团队提供了理论和计算工具，使研究人员能够更好地理解他们的观察结果。

最终，该团队将利用这些知识来更好地了解这些材料系统的行为方式，并构建更好的量子传感器。

“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清洁的材料并控制其中一些内部噪声源的想法，”Galli 说。

该论文的其他作者包括 Mykyta Onizhuk、Yu-Xin Wang、Yizhi Zhu、Yu Jin、Benjamin S. Soloway、Masaya Fukami、Nazar Delegan 和 F. Joseph Heremans。

更多信息：Jonathan C. Marcks 等人，单电荷动力学的量子自旋探针，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.130802。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2312.02894

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv