量子鉆石顯微鏡解鎖古代巖石中隱藏的磁學(xué)秘密

基于摻雜金剛石中的氮-空位體系（NV色心）的譜學(xué)技術(shù)，具有超高的探測(cè)本領(lǐng)，在物理、化學(xué)、生物等不同的學(xué)科領(lǐng)域均具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。我們本著分享和服務(wù)的宗旨，根據(jù)頂級(jí)期刊、新聞對(duì)部分相關(guān)文章進(jìn)行中文導(dǎo)讀。歡迎大家在本文下方留言區(qū)進(jìn)行留言討論，如內(nèi)容有錯(cuò)誤疏漏之處，也歡迎各位專家學(xué)者補(bǔ)充及批評(píng)指正，共同提高本系列文章內(nèi)容服務(wù)質(zhì)量，謝謝。

量子鉆石顯微鏡解鎖古代巖石中隱藏的磁學(xué)秘密

量子鉆石顯微鏡（QDM）作為一種新設(shè)備，可以讓地質(zhì)學(xué)家們感知和測(cè)繪出隱藏在巖石顆粒中空間分辨率比正常人頭發(fā)直徑還要小的磁場(chǎng)，也可以幫助他們梳理出了之前被精度較低的檢測(cè)設(shè)備忽略掉的歷史軌跡。哈佛大學(xué)研發(fā)的這臺(tái)顯微鏡主要作以下幾個(gè)用途：探測(cè)隕石以尋找太陽系早期的蛛絲馬跡、檢測(cè)鐘乳石以記錄數(shù)千年前降雨量以及探測(cè)古代熔巖以了解地球板塊的最初的一些運(yùn)動(dòng)痕跡。盡管目前QDM在檢測(cè)靈敏度上還未能超越傳統(tǒng)的超導(dǎo)傳感器，但在對(duì)遠(yuǎn)古磁學(xué)的研究（例如地磁場(chǎng)的起源等的探測(cè)）等方面它被寄予了厚望。

Diamond microscope unlocks ancient rocks' magnetic secrets

Paul Voosen,et al. Science 24 Apr 2020: Vol. 368, Issue 6489, pp. 354-355

DOI: 10.1126/science.368.6489.354

Paleomagnetic evidence for modern-like plate motion velocities at 3.2 Ga

Alec R. Brenner,et al.  Science Advances 22 Apr 2020:Vol. 6, no. 17, eaaz8670

DOI: 10.1126/sciadv.aaz8670

鉆石中單軸NV色心的微波自由矢量磁力儀

在基礎(chǔ)物理、生物成像和材料科學(xué)領(lǐng)域的很多應(yīng)用中，磁場(chǎng)的矢量測(cè)量都十分重要。金剛石中的氮空位（NV）色心由于其高靈敏度和空間分辨率在眾多磁傳感器中備受矚目。然而，矢量磁力儀的實(shí)現(xiàn)往往需要連續(xù)或同時(shí)地施加微波，會(huì)對(duì)傳感器在低溫下的應(yīng)用產(chǎn)生限制。

由多國科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)提出并論述了一種無微波矢量磁力儀，僅通過利用金剛石中的N-V系綜就能同時(shí)測(cè)量到了磁場(chǎng)的所有的笛卡爾坐標(biāo)系分量。本文展示了這款磁力儀利用102.4 mT外磁場(chǎng)下NV三重態(tài)中的能級(jí)免交叉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)縱向和橫向磁場(chǎng)從零到兆赫范圍的帶寬測(cè)量。通過在NV主軸方向和橫向平面施加調(diào)制場(chǎng)并解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了矢量磁場(chǎng)測(cè)量，其可以檢測(cè)到在各方向的均方根噪聲大約為300 pT/√Hz。

研究指出，這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛或潛在的應(yīng)用于系綜和單NV傳感器，將矢量測(cè)量能力擴(kuò)展到室溫下的納米尺度。

Microwave-Free Vector Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Centers along a Single Axis in Diamond

Huijie Zheng,et al. Phys. Rev. Applied 13, 044023 – Published 9 April 2020

固態(tài)體系單核自旋的光學(xué)控制

該研究展示了一種新方法--通過近鄰量子光源的電子態(tài)來進(jìn)行單個(gè)固態(tài)核自旋的相干光學(xué)操縱。具體的，研究者基于金剛石中的氮空位（NV）色心體系，利用全光學(xué)拉曼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)近鄰14N核自旋的控制。他們還評(píng)估了NV色心的固有物理特性，看其相干控制性能的受阻因素，發(fā)現(xiàn)最終它會(huì)受到NV色心激發(fā)態(tài)的橫向超精細(xì)耦合和輻射衰減相對(duì)速率的影響。除此之外，該文章還探討了該方法在一些其他色心上的可能擴(kuò)展和應(yīng)用。

Optical Control of a Single Nuclear Spin in the Solid State

M.?L. Goldman, et al. Phys. Rev. Lett. 124, 153203 – Published 15 April 2020

量子鉆石單自旋譜儀 Diamond II

基于鉆石NV單自旋體系為原理的磁共振譜儀，市場(chǎng)上還未有商業(yè)化儀器出現(xiàn)。目前，國儀量子已掌握基于NV體系的核心技術(shù)，并具備成熟的制造工藝，成功研制了量子鉆石單自旋譜儀（型號(hào)Diamond Ⅱ），在自主研發(fā)的光探測(cè)磁共振儀器平臺(tái)上，能夠完成室溫單自旋量子調(diào)控、及固相和液相樣品中磁信號(hào)的精密測(cè)量。

該譜儀利用ODMR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石中氮—空位（NV色心）發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，該譜儀具有以下特點(diǎn)：1) 初態(tài)是量子純態(tài)，易于初始化、操控和讀出；2) 自旋量子相干時(shí)間長(zhǎng)；3) 超高靈敏度與超高分辨率；4) 可以在室溫大氣條件下運(yùn)行，對(duì)于生物樣品有良好的兼容性；5) 通過高保真度量子自旋態(tài)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋低噪聲、高效、快速的量子相干操控。

此外，譜儀還配套了高智能化控制與信號(hào)采集軟件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)光路調(diào)節(jié)、自動(dòng)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)以及長(zhǎng)時(shí)間的無人值守自動(dòng)測(cè)樣實(shí)驗(yàn)；還能夠進(jìn)行連續(xù)波實(shí)驗(yàn)、拉比實(shí)驗(yàn)、Ramsey實(shí)驗(yàn)、回波實(shí)驗(yàn)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)NV色心的自旋信號(hào)的讀取和操控。

基于NV色心的ODMR技術(shù)已在量子計(jì)算、磁探測(cè)、電探測(cè)及生物探測(cè)有較為成熟的應(yīng)用。在量子計(jì)算領(lǐng)域，NV色心可以作為非常好的量子信息存儲(chǔ)和調(diào)控的室溫固體單自旋材料。例如利用NV色心體系，演示了D-J算法，大數(shù)分解算法等，為計(jì)算效率的提高帶來極大幫助。在精密測(cè)量領(lǐng)域，基于金剛石氮-空位色心的精密測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等物理量的精密測(cè)量，并且賦能于科研、教育、能源、安全、健康、工業(yè)等各行各業(yè)。例如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)活體細(xì)胞磁場(chǎng)、溫度探測(cè)，以及對(duì)神經(jīng)單元電位探測(cè)等；在材料科學(xué)領(lǐng)域，利用ODMR技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料光學(xué)性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的研究。