振动钻石的 X 射线图像为量子传感开辟了途径

（a） 五边形FBAR和MW天线的扫描电子显微镜图像。（b） 沿N-V轴B||具有非零场的N-V中心基态的能级，以及本工作中使用的相应驱动场。（c） 有限元 （COMSOL） 横截面模型，显示了在本文中使用的 2.553 GHz 模式下，金刚石中产生的应变大约一个完全振荡。图片来源：Physical Review Applied （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.22.024016

康奈尔大学（Cornell University）教授格雷戈里·福克斯（Gregory Fuchs）说，当谈到量子传感器的材料时，钻石是镇上最好的游戏。现在，他和一组科学家通过生成钻石经历微观振动的精美图像，提升了钻石的游戏水平。

该团队由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室，康奈尔大学和普渡大学的研究人员组成，在量子信息科学方面取得了两倍的进步。

首先，他们用声波对钻石进行脉冲，拍摄钻石振动的X射线图像，并测量原子根据波频率压缩或膨胀的程度。

其次，他们将这种原子应变与另一种原子性质——自旋——所有原子物质的特性——联系起来，并定义了两者之间的数学关系。

这些发现对于量子传感来说是关键，量子传感利用原子的特殊特性来进行比我们今天能够进行的测量要精确得多。预计在未来几十年内，量子传感器将在医学、导航和宇宙学中得到广泛应用。

科学家们使用自旋来编码量子信息。通过确定钻石的自旋如何响应应变，该团队提供了一本关于如何操纵它的手册：以这种方式对钻石进行微震动，自旋就会发生如此大的变化。以这种方式摇晃钻石，旋转就会发生很大的变化。

这项研究发表在《应用物理评论》（Physical Review Applied）上，这是首次有人直接测量钻石在千兆赫兹频率（每秒数十亿个脉冲）下的相关性。

这也是量子科学界更大规模努力的一部分，该努力旨在精确连接各种材料中的原子应变和相关的自旋。例如，阿贡大学和芝加哥大学的研究人员此前测量了碳化硅中的自旋应变相关性，碳化硅是研究人员为量子应用设计的另一种恒星材料。

该小组的研究在一定程度上得到了由阿贡领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。

“我们正在连接方程式的两边——自旋侧和应变侧——并直接比较钻石中发生的事情，”康奈尔大学应用与工程物理学院教授、Q-NEXT合作者Fuchs说。“直接把他们俩都打倒，真是太满足了。”

等式的两边相距数百英里。

对于自旋测量，纽约康奈尔大学的科学家们使用康奈尔大学和普渡大学的研究人员开发的一种独一无二的设备，测量了自旋如何对穿过钻石的声波做出反应。

为了进行应变测量，康奈尔大学的研究生和论文作者Anthony D'Addario驱车700英里到伊利诺伊州的阿贡，使用美国能源部科学办公室的用户设施Advanced Photon Source（APS）。这台周长1公里的机器产生X射线，使研究人员能够看到材料在原子和分子水平上的行为。

在为量子技术生成了其他材料的应变图像后，它现在将对金刚石做同样的事情。该团队使用由APS和阿贡纳米材料中心（也是美国能源部科学办公室用户设施）联合运营的X射线束，拍摄了钻石原子来回摇晃时的类似频闪光的照片。

他们专注于钻石内的一个特定部位：一种称为氮空位 （NV） 中心的不规则性，它由一个原子大小的孔和一个相邻的氮原子组成。科学家们使用NV中心作为量子传感器的基础。

机械 Rabi 测量结果。图片来源：Physical Review Applied （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.22.024016

APS 的高分辨率图像使该团队能够测量钻石 NV 中心附近的原子运动，精确到 1,000 分之一。

“能够使用APS明确地观察或量化NV中心附近的应变，因为它是由普渡大学和康奈尔大学开发的这些美丽的声学谐振器调制的，这使我们能够在NV中心附近本地了解这个故事，”Argonne科学家和Q-NEXT合作者Martin Holt说，他也是该论文的作者。

“这一直是硬X射线的美妙之处：能够完全观察复杂的系统，并获得关于其中内容的定量答案。

在进行自旋和应变测量后，Fuchs和他的团队将两者关联在一个方程中，令人满意地与理论相符。

“最激动人心的部分是进行分析。我们最终找到了一个与自旋和应变相关的新数字，它最终与一些理论和以前的测量结果一致，“D'Addario说。

旋转可以通过几种方式进行操作。最流行的是使用电磁波。使用声波不太常见。

但它有优点。首先，声波可以用来操纵自旋，而电磁场是无法实现的。

另一方面，声波可以保护自旋中编码的量子信息。量子信息是脆弱的，当受到环境的干扰时，它会分崩离析，这一过程称为退相干。量子研究的目标之一是避免退相干足够长的时间，以便成功处理信息。

“向系统添加声音会让它变得更好，这有点违反直觉，但这有点像打开白噪声发生器听不到对话，”霍尔特说。“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干。你正在以一种保护系统免受这些其他声音过程影响的方式改变系统敏感的内容。

还有一个是小型化的优势。1 千兆赫兹的电磁波大约有一英尺长，而千兆赫兹声波很小，大约是人类头发的宽度。这种小波长使科学家能够在一个小设置中放置多个类似的设备，并且仍然确保它们的信号不会相互交叉。

“如果你希望相邻设备之间没有太多的讨论或干扰，那么你可以使用声波设备，这可能非常有限，”Fuchs说。

将这些优点与金刚石相结合，可以制造出卓越的量子传感器。作为量子信息的宿主，金刚石可实现较长的信息寿命，可以在室温下运行并提供可靠的测量。

“我想说大多数人都会同意我的观点，对于量子传感器来说，钻石是王道，”Fuchs说。

跨学科合作是这项工作的关键。

“由于这些系统的复杂性和敏感性，有许多不同的东西可以移动量子现象，”霍尔特说。

“能够仔细地对单个部分的响应进行基线分析需要相关性。这是一个多学科的问题，而Q-NEXT非常适合回答这个问题。Q-NEXT在这些设施中为量子系统创建运行环境中的投资确实得到了回报。

更多信息：Anthony D'Addario 等人，金刚石薄膜体声学谐振器中动态应变的频闪 X 射线衍射显微镜，用于氮空位中心的量子控制，《应用物理评论》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.22.024016