鑽石舞台

筑波大學的科學家們展示了如何利用超快光譜來提高量子傳感器的時間分辨率。通過測量金剛石晶格中相干自旋的方向，他們表明磁場甚至可以在很短的時間內被測量出來。這項工作可能促進超高精度測量領域的發展，即量子計量學，以及基於電子自旋的「自旋電子」量子計算機的發展。

量子傳感提供了以納米分辨率極其精確地監測溫度以及磁場和電場的可能性。通過觀察這些特性如何影響傳感分子內的能級差異，納米技術和量子計算領域的新途徑可能變得可行。然而，由於發光壽命有限，傳統量子傳感方法的時間分辨率以前被限制在微秒範圍內。需要一種新的方法來幫助改進量子傳感。

現在，由筑波大學領導的一組研究人員開發了一種在着名的量子傳感系統中實現磁場測量的新方法。氮空位（NV）中心是鑽石中的特定缺陷，其中兩個相鄰的碳原子已被氮原子和空位取代。該位點的額外電子的自旋狀態可以使用光脈衝讀取或相干操縱。

「例如，帶負電荷的NV自旋狀態可以用作具有全光學讀出系統的量子磁強計，即使在室溫下也是如此，」第一作者 Ryosuke Sakurai 說。該團隊使用「逆科頓-穆頓」效應來測試他們的方法。正常的科頓-穆頓效應發生在橫向磁場產生雙折射時，雙折射可以將線性偏振光改變為具有橢圓偏振。在這個實驗中，科學家們做了相反的事情，利用不同偏振的光來產生微小的受控局部磁場。

日本高級科學技術研究所Muneaki Hase和他的同事Toshu An說：「利用非線性光磁量子傳感技術，將有可能在具有高時空分辨率的先進材料中測量局域磁場或自旋電流。」該團隊希望這項工作將有助於使量子自旋電子計算機成為敏感的自旋態，而不是像目前的計算機那樣僅僅是電荷。這項發表在APL Photonics上的研究，也可能使新的實驗在現實的設備操作條件下觀察磁場的動態變化，甚至可能是單自旋。

相關文獻：

Ryosuke Sakurai et al, Ultrafast opto-magnetic effects induced by nitrogen-vacancy centers in diamond crystals, APL Photonics (2022).

DOI: 10.1063/5.0081507