中科大首次實(shí)現(xiàn)高靈敏的金剛石量子傳感器

記者從中國(guó)科大獲悉，該校杜江峰院士等提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種以金剛石氮-空位(NV)色心單自旋為量子傳感器(簡(jiǎn)稱“金剛石量子傳感器”)的電探測(cè)方法，并首次實(shí)現(xiàn)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(cè)方向的應(yīng)用提供新的途徑。研究成果日前以“編輯推薦”形式發(fā)表在的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

對(duì)電、磁等基本物理量高分辨率高靈敏度的探測(cè)在物理、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。金剛石中的NV色心以其室溫大氣環(huán)境下優(yōu)越的相干性質(zhì)而成為高靈敏的磁量子傳感器。NV色心作為量子傳感器，最終實(shí)用化的目標(biāo)是將其應(yīng)用于金剛石體外信號(hào)表征，但是金剛石近表面磁噪聲環(huán)境復(fù)雜，NV色心易受到磁信號(hào)干擾。

為此，科研人員提出了一種能抑制磁信號(hào)和噪聲同時(shí)對(duì)電場(chǎng)敏感的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種連續(xù)動(dòng)力學(xué)解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，有效地抑制了NV色心對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)，同時(shí)保留對(duì)電場(chǎng)的線性響應(yīng)，從而構(gòu)建了一個(gè)更加有效的電信號(hào)量子傳感器。利用這種新的電探測(cè)方法，研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)部的電噪聲也不可忽略。通過(guò)建立模型與定量的實(shí)驗(yàn)研究這兩處電噪聲，發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的相關(guān)性。新方法對(duì)磁噪聲呈現(xiàn)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，還有助于更準(zhǔn)確地分析表面噪聲的性質(zhì)和來(lái)源，從而進(jìn)行針對(duì)性的消除。

這一成果有望在材料的電磁性質(zhì)表征領(lǐng)域取得重要應(yīng)用，由于其具有室溫大氣環(huán)境下單個(gè)電子電荷的探測(cè)靈敏度，還可用于凝聚態(tài)以及半導(dǎo)體等材料的電信號(hào)表征。