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中科大在金剛石單自旋量子精密測量取得重要進展

關鍵詞 金剛石 , 測量|2020-07-07 10:03:21|來源 中國科學技術大學
摘要 中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、王亞等人在金剛石單自旋量子精密測量研究方向取得重要進展,提出并通過實驗實現了一種以金剛石氮-空位(NV)色心單自旋為量...

       中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、王亞等人在金剛石單自旋量子精密測量研究方向取得重要進展,提出并通過實驗實現了一種以金剛石氮-空位(NV)色心單自旋為量子傳感器(以下簡稱“金剛石量子傳感器”)的電探測方法,并首次通過磁抑制的NV色心實現了金剛石近表面電噪聲信息的提取,為金剛石量子傳感器在電探測方向的應用提供新的途徑。該研究成果以“編輯推薦”形式發表在近期的《物理評論快報》上 [Nanoscale Electrometry Based on a Magnetic-Field-Resistant Spin Sensor, Phys. Rev. Lett. 124, 247701 (2020)]。
       對電、磁等基本物理量高分辨率高靈敏度的探測在物理、材料、生命科學等領域均有重要應用。金剛石中的NV色心以其室溫大氣環境下優越的相干性質而成為高靈敏的磁量子傳感器,在磁性探測與成像方面兼具高靈敏度高分辨率的綜合優勢,已用于單分子磁共振和納米尺度磁成像等領域[杜江峰團隊在該方向的代表性論文:Nature Physics 10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018); Science Advances 5, eaau8038 (2019); Science Advances 6, eaaz8244 (2020)]。同時,NV色心作為電信號量子傳感器早在2011年被提出[Nat. Phys. 7, 459  (2011)],且被證明在室溫大氣環境下具備單個電荷的探測靈敏度,目前已實現對金剛石體內的電荷與電場探測。但NV色心作為量子傳感器,最終實用化的目標是將其應用于金剛石體外信號表征。為了將NV色心用于金剛石體外樣品的電信號高靈敏度與高分辨率的表征,需要將其制備于10納米到幾十納米深度位置的金剛石淺表層處。但是金剛石近表面磁噪聲環境復雜,NV色心易受到磁信號干擾,限制了其對電場探測的實際應用。

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(a) 實驗示意圖,金剛石表面覆蓋電極施加電場,旁邊放上通電流的螺線管施加磁場。(b) NV色心新本征態的能級隨電極電壓(即電場,紅線及圓環所示)與螺線管內電流(即磁場,藍線及方塊所示)的關系,可見其僅對電場變化有響應。

       為了解決這一局限性,此工作提出了一種能抑制磁信號和噪聲同時對電場敏感的方法。NV色心作為一種自旋體系,其對磁場具有天然的敏感性,相對而言對電場的敏感度較低,因此消除磁場干擾是電探測的前提。本工作中設計了一種連續動力學解耦序列,形成特定的綴飾態空間,有效地抑制了NV色心對磁場的響應,同時保留對電場的線性響應(如圖1所示),從而構建了一個更加有效的電信號量子傳感器。更進一步,研究人員利用這種新的電探測方法,研究了金剛石近表面的電噪聲分布。過去認為金剛石近表面NV色心感受到的噪聲主要來源于金剛石上表面分布的未配對電子或自旋引起的電磁噪聲。而本工作中,研究人員發現除了金剛石上表面的電噪聲,距離金剛石表面約10納米深的內部(NV色心周圍)的電噪聲也不可忽略。通過建立模型與定量的實驗研究這兩處電噪聲,發現它們之間存在顯著的相關性。這種定量的探測和分析是以往研究方式無法實現的,而新方法對磁噪聲呈現出高度抑制的作用,因此可以被用于金剛石近表面純電噪聲信息的提取。這有助于更準確地分析表面噪聲的性質和來源,從而進行針對性的消除。
       該實驗驗證了新的基于金剛石量子傳感器的電探測方法,這種方法相對于以往基于NV色心的電探測方式大幅增強了對磁噪聲的抑制,從而延長了其相干時間并提高了電探測的靈敏度。該方法非常適用于電磁場共存樣品的表征,例如多鐵材料。結合NV色心高分辨成像的特性,有望在材料的電磁性質表征領域取得重要應用。除此之外,該方法同樣具有室溫大氣環境下單個電子電荷的探測靈敏度,其可應用于凝聚態以及半導體等材料的電信號表征。
       審稿人評價此工作:“該新穎的方法是一種更容易且更通用的電測量實驗方法,可為相關領域的研究人員提供技術參考。與以往此方面的研究相比,電荷噪聲和屏蔽的實驗結論更為堅實可靠,并且可能是真正揭示表面電荷噪聲起源的第一步?!盵“The novel protocol could be an easier and more versatile experimental access to electrometry, and could thus become a reference technique for many groups working in the field. The experimental results on charge noise and screening put this effect on a much more solid foundation than previous studies, and could be the first step to truly unravel the origin of surface charge noise.”]。此工作被PRL編輯選作亮點文章發表。
       中科院微觀磁共振重點實驗室博士生李瑞和博士后孔飛為該文共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。
       論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.247701PRL Editors’ Suggestion:https://journals.aps.org/prl/highlights

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       (中科院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)

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