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新型鉆石量子傳感器面世 磁場探測靈敏度提升40倍
2025年12月03日 13:15:00
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：珙桐 點擊量：4342
美國普林斯頓大學研究團隊在最新一期《自然》雜志發(fā)表重磅成果，成功研發(fā)出基于工程化鉆石缺陷的新型量子傳感器。
近日，美國普林斯頓大學研究團隊在最新一期《自然》雜志發(fā)表重磅成果，成功研發(fā)出基于工程化鉆石缺陷的新型量子傳感器。該設備磁場探測靈敏度較現(xiàn)有技術提升約 40 倍，首次實現(xiàn)對凝聚態(tài)材料中 “不可見” 隱秘磁波動的直接觀測，為石墨烯、超導體等前沿量子材料的研究開辟了全新路徑。據(jù)悉，這項研究由普林斯頓大學Nathalie de Leon主導，普林斯頓大學Jared Rovny、加州大學伯克利分校Shimon Kolkowitz深度參與完成。
相關論文:Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource
這款量子傳感器的核心依托是實驗室培育的超高純度鉆石。與天然鉆石相比，這種人工鉆石純度極高，其晶格缺陷被精確控制在極致微小的范圍，數(shù)十億個原子組成的晶格中僅缺失一個原子。這些精準設計的晶格缺陷因能與磁場產生強烈相互作用，成為構建高性能磁場傳感器的理想載體。
團隊的關鍵創(chuàng)新在于鉆石表面的氮空位中心設計。研究人員在鉆石表面植入兩個間距僅 10 納米的氮空位中心，使其形成量子糾纏狀態(tài)。氮空位中心是鉆石晶格中氮原子替代碳原子后與相鄰晶格空位組成的點缺陷，兼具自旋相關光致發(fā)光特性與室溫下的長自旋相干性，這種糾纏的雙探針如同協(xié)同工作的精密探測器，可從復雜噪聲背景中精準提取磁信號，這也是靈敏度大幅提升的核心原因。不同于以往研究依賴的原子陣列等理想體系，該技術實現(xiàn)了在真實材料中直接探測磁現(xiàn)象的突破。
氮空位中心的植入過程攻克了極高的技術難關。團隊采用高速轟擊技術，以每秒超過 3 萬英尺的速度將氮分子射向鉆石表面，使氮分子解離為兩個氮原子，并在可控能量作用下精準穿透至鉆石表面下 20 納米處。這種對植入深度與間距的精準把控，促使氮原子電子自發(fā)形成量子糾纏，成為傳感器實現(xiàn)超高靈敏度探測的關鍵所在。
借助這一技術突破，研究人員首次在原子尺度至可見光波長的關鍵區(qū)間，捕捉到此前難以觀測的磁噪聲與電子行為。觀測內容不僅包括電子在材料中的傳播與散射過程，還涵蓋了超導材料特殊條件下出現(xiàn)的磁通渦旋演化現(xiàn)象。磁通渦旋作為 II 型超導體中攜帶磁通量子的離散結構，其動力學特性對超導磁體穩(wěn)定性至關重要，此次觀測為解析超導材料特性提供了全新視角。
研究團隊表示，這款新型量子傳感器未來將聚焦非常規(guī)超導、拓撲量子態(tài)等前沿課題研究。作為量子傳感領域的突破性成果，其不僅突破了傳統(tǒng)傳感器的精度天花板，更將為下一代量子材料的設計提供堅實的實驗依據(jù)，推動量子科技在材料科學領域的應用邁上新臺階。
資料來源：科技日報、Nature
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