量子探針實(shí)現(xiàn)磁場和應(yīng)力張量的原位測量

近日，中國科學(xué)院物理研究所于曉輝研究員、潘新宇研究員、劉剛欽特聘研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功在兆巴高壓下實(shí)現(xiàn)了金剛石NV中心自旋量子調(diào)控和量子傳感。在這個(gè)工作中，研究人員在0-140 GPa范圍內(nèi)測量了金剛石微米顆粒中NV集群的光致發(fā)光譜(PL)和光探磁共振譜(ODMR)，實(shí)驗(yàn)展示了金剛石NV量子傳感所需的核心元素，包括激光激發(fā)、微波調(diào)控、以及熒光讀出等，均可在近140 GPa的高壓下實(shí)現(xiàn)，而且其工作機(jī)理與常壓情況一致，用532 nm激光即可實(shí)現(xiàn)其自旋極化和讀出。

研究人員還在80 GPa高壓下實(shí)現(xiàn)了金剛石NV中心自旋量子態(tài)相干調(diào)控，并用該微區(qū)量子探針實(shí)現(xiàn)了磁場和應(yīng)力張量的原位測量。這些結(jié)果為進(jìn)一步提升NV量子傳感工作壓強(qiáng)指明了方向，包括制備更均勻和更好的靜水壓條件，以及提升NV熒光收集效率等。 研究結(jié)果加深了我們對金剛石NV中心自旋和光學(xué)性質(zhì)的理解，極大地拓展了金剛石自旋量子傳感的工作壓強(qiáng)區(qū)間，也為進(jìn)一步提升其工作壓強(qiáng)和探測靈敏度給出了指引，有望促進(jìn)量子傳感在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域前沿研究中的應(yīng)用。

背景介紹

高壓極端條件是實(shí)現(xiàn)物態(tài)調(diào)控的重要手段之一。隨著金剛石對頂砧高壓技術(shù)的發(fā)展，人們已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲得數(shù)百兆巴的高壓，這為地球內(nèi)核環(huán)境的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，實(shí)現(xiàn)近室溫超導(dǎo)等重要科學(xué)問題提供了獨(dú)特的研究途徑。然而，在極端高壓下進(jìn)行物性測量是極其挑戰(zhàn)的，尤其是磁性測量。一方面，兆巴高壓下樣品僅有數(shù)10微米，對應(yīng)的信號極其微弱；另一方面，金剛石對頂砧外圍支撐結(jié)構(gòu)一定程度上限制了可用測量方案。近年來，基于金剛石氮空位(NV)中心的量子傳感發(fā)展迅速，為高壓腔內(nèi)微區(qū)物性測量提供了有力工具，但該方案僅在60 GPa以下得到了原理驗(yàn)證，進(jìn)一步提升其工作壓強(qiáng)是高壓物性測量和自旋量子調(diào)控的共同需求。

圖文解析與研究內(nèi)容

首次在兆巴高壓(1 Mbar=100 GPa)下實(shí)現(xiàn)金剛石氮空位(Nitrogen-vacancy, NV) 中心光探磁共振實(shí)驗(yàn)測量，獲得NV中心自旋和光學(xué)性質(zhì)隨壓強(qiáng)變化規(guī)律，極大地拓展了金剛石自旋量子傳感的工作區(qū)間。

編輯：黃飛