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研究人员改善了氮空缺中心的自旋相干时间

时间：2021-09-10 09:25:01 来源：

氮空位中心是缺陷的缺陷，其中氮原子替代晶格中的碳原子和缺失的碳原子的空位是紧邻的，留下可以精确地控制其状态的未粘附电子。NV中心自然发生在钻石中，或者可以人工创造。

在一项新的研究中，与先前的测量相比，研究人员证明了在氮空位中心的旋转相干时间中的两个以上数量级的提高。结果可以提高量子传感，能够挤压和许多身体纠缠，并打开模拟驱动，相互作用的量子数量多体Hamiltonians的路径。

从大脑到心脏到胃，人类和动物的身体会产生弱磁场，超敏探测器可以用来辨别疾病，踪影药物 - 甚至可以读取思维。传感器没有比缩略图更大，可以在地下，分析化学品，分析化学品，并定位从其他探针隐藏的炸药。

现在美国能源部伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和伯克利大学加州大学的科学家们与哈佛大学同事合作，改善了纳米级上最有效的磁场传感器之一的表现 - 钻石缺陷没有大于一对原子，称为氮空位（NV）中心。

研究团队的发现可能最终使得时钟比计算机芯片小，而且在第二个或旋转传感器的几千万弧度内精确地能够更快，更宽度的极端温度，而不是智能手机中的陀螺仪。在长时间之前，钻石的廉价芯片可能能够容纳量子计算机。该团队在自然通信中报告其结果。

由钻石制成的传感器

氮空缺中心是钻石中最常见的缺陷。当氮原子替代金刚石晶体中的碳原子和具有相邻空位的对时（缺少碳原子的对）时，不粘合到缺失的碳原子的许多电子留在中心。

电子旋转状态对磁场，电场和光线良好，非常敏感，因此可以通过激光容易地设置，调整和读出它们。

“伯克利实验室核科学司的Dmitry Budker说：”NV中心的旋转状态稳定在很热的温度范围内，伯克利实验室核科学司Dmitry Budker说，他也是UC Berkeley的物理教授。甚至每克的钻石成本便宜的小斑点也可以用作传感器，因为Budker说，“我们可以通过照射和烘烤钻石中的NV中心的数量，”这是的，退火。

挑战是为了保持NV中心的旋转状态固有的信息，一旦在那里编码，就可以在测量之前泄漏;在NV中心，这需要延伸所谓的电子旋转的“一致性”时间，旋转彼此保持同步的时间。

最近，Budker在一支哈佛大学的哈尔瓦德·沃尔瓦尔德（Ronald Walsworth）曾在一支哈佛大学的团队中奏效，其中包括哈佛尼尔酒吧吉尔和UC Berkeley Postdoc Andrey Jarmola。它们将NV电子旋转的集合的相干时间扩展到先前的测量上超过两个数量级。

“对我来说，这一结果中最令人兴奋的方面是研究NV中心彼此互动的方式研究变化的可能性，”这篇论文第一作者的Bar-Gill说，这次秋天将搬到耶路撒冷大学。“这是可能的，因为相干时间长于NV中心之间相互作用所需的时间。”

Bar-Gill增加了，“我们现在可以想象工程钻石样本来实现量子计算架构。”互动的NV中心取代量子计算机中的位数，称为Qubits。而二进制数字是1或0，则qubit代表一个叠加的1和0，只要状态相干，仍然存在的Schrödinger的猫般的同时性，直到折叠所有的测量立刻纠缠Qubits。

“我们使用了一些技巧来摆脱干式般的来源，”布达尔说。“一个是使用专门准备纯碳-12的钻石样品。”天然金刚石包括少量的同位素碳-13，其核旋转急忙急剧突然旋转的NV中心电子旋转。碳-12核是旋转零。

“其他诀窍是将温度降低到液氮温度，”Budker说。通过将样品冷却至77摄氏度，低于室温但仍然可以易于访问，通过冷却堵塞。

在Budker的实验室共同努力，团队的成员将钻石样本安装在低温恒温器内。通过金刚石的激光束加上磁场，调谐NV中心的电子旋转，使其引起荧光。它们的荧光亮度是旋转状态相干的量度。

“控制旋转是必不可少的，”Budker说：“所以我们借用核磁共振的想法” - 在医院中磁共振成像（MRI）的这种熟悉程序的基础。

虽然不同于核旋转，但可以以类似的技术延伸电子旋转相干性。因此，随着金刚石样品中的NV中心的旋转状态即将Decohere，实验者用一系列多达10,000个短的微波脉冲摇动了金刚石。脉冲翻转电子旋转，因为它们开始彼此同步地脱离，产生“回声”，其中颠倒的旋转陷入困境。结合被重新建立。

最终，研究人员实现了旋转相干时间超过半秒。“我们的结果真正为磁场感测和量子信息而闪耀，”酒吧吉尔说。

长期旋转相干时间增加了钻石已经拥有的优势，将钻石NVS放在实用量子计算机的潜在候选者的最前沿 - 一个最喜欢的哈佛大学研究人员的追求。Budker的集团发现甚至更热的前景是在传感振荡磁场中的长相干时期的可能性，应用范围从生物物理到防御。

这项工作得到了国防高级研究项目机构的准则，国家科学基金会，以色列国防部和北大西洋条约组织的和平方案科学。