作者：David L. Chandler，麻省理工学院

麻省理工学院的研究人员找到了一种通过施加外部激光或微波束来调节金刚石自旋密度的方法。 这一发现可能为先进量子设备开辟新的可能性。 图为研究人员工作中使用的激光设备的视图。 图片来源：研究人员提供

电子设备通常使用电子电荷，但自旋——它们的另一个自由度——正开始被利用。 自旋缺陷使得晶体材料对于基于量子的设备非常有用，例如超灵敏量子传感器、量子存储设备或用于模拟量子效应物理的系统。 改变半导体中的自旋密度可以导致材料产生新的特性——这是研究人员长期以来想要探索的——但这种密度通常是短暂且难以捉摸的，因此很难在本地测量和控制。

现在，麻省理工学院和其他地方的一组研究人员已经找到了一种调整金刚石自旋密度的方法，通过施加外部激光或微波束，将其改变两倍。 作者表示，这项发现发表在《美国国家科学院院刊》上，可能为先进量子设备开辟许多新的可能性。 这篇论文是麻省理工学院 Paola Cappellaro 和 Ju Li 教授的现任和前任学生以及米兰理工大学的合作者合作完成的。

论文***作者王国庆博士 '23，攻读博士学位。 卡佩拉罗实验室的论文，现在是麻省理工学院的博士后。

金刚石中一种被称为氮空位 (NV) 中心的特定类型的自旋缺陷是研究***广泛的系统之一，因其在各种量子应用中的潜在用途。 NV 中心的自旋对任何物理、电或光学干扰都很敏感，这使得它们成为潜在的高度敏感探测器。

“固态自旋缺陷是***有前途的量子平台之一，”王说，部分原因是它们可以在环境室温条件下工作。 许多其他量子系统需要超冷或其他特殊环境。

Wang 补充道：“NV 中心的纳米级传感能力使它们有望探测自旋环境中的动力学，表现出丰富的量子多体物理尚未被理解。” “环境中的一个主要自旋缺陷，称为 P1 中心，通常比 NV 中心多 10 到 100 倍，因此可以具有更强的相互作用，使它们成为研究多体物理的理想选择。”

但为了调整它们的相互作用，科学家需要能够改变自旋密度，这是以前很少实现的。 王说，通过这种新方法，“我们可以调整自旋密度，因此它提供了一个潜在的旋钮来实际调整这样的系统。这是我们工作的关键新颖之处。”

Wang说，这种可调系统可以提供更灵活的量子流体动力学研究方法。 更直接的是，新工艺可以应用于一些现有的纳米级量子传感设备，以提高其灵敏度。

麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系联合聘用的李解释说，今天的计算机和信息处理系统都是基于电荷的控制和检测，但一些创新设备已经开始使用 称为自旋的属性。 例如，半导体公司英特尔一直在试验将自旋和电荷耦合起来的新型晶体管，这有可能为基于自旋电子学的设备开辟道路。

“传统的 CMOS 晶体管消耗大量能量，”李说，“但如果你使用自旋，就像英特尔的设计一样，那么你可以大大减少能耗。” 该公司还开发了用于量子计算的固态自旋量子位设备，“自旋是人们想要在固体中控制的东西，因为它更节能，而且它也是量子信息的载体。”

在李和他的同事的研究中，新达到的对自旋密度的控制水平使得每个NV中心都像一种原子级“雷达”一样，可以感知和控制附近的自旋。 “我们基本上使用特定的 NV 缺陷来感知周围的电子和核自旋。这种量子传感器揭示了附近的自旋环境以及它如何受到电荷流的动态影响，在这种情况下，电荷流是由激光泵浦的，”李说。

他说，该系统可以将自旋浓度动态改变两倍。 这***终可能导致以单点缺陷或单个原子为基本计算单元的设备。 “从长远来看，单点缺陷以及该单点缺陷上的局部自旋和局部电荷可以成为一种计算逻辑。它可以是一个量子位，它可以是一个存储器，它可以是一个传感器，” 他说。

他补充说，开发这种新发现的现象还有很多工作要做。 “我们还没有完全做到这一点，”他说，但他们迄今为止所证明的表明，他们“确实将点缺陷的自旋和电荷状态的测量和控制降低到了***的水平。因此，在 从长远来看，我认为这将支持利用单个缺陷或少量缺陷来成为信息处理和传感设备。”

王说，在迄今为止的这项工作中，“我们发现了这种现象并证明了它”，但还需要进一步的工作来充分理解这些系统中发生的物理机制。 “我们的下一步是更深入地研究物理学，因此我们想更好地了解他们所看到的效应背后的潜在物理机制是什么。”

从长远来看，“通过更好地了解这些系统，我们希望探索更多的量子模拟和传感想法，例如模拟有趣的量子流体动力学，甚至在不同自旋缺陷之间传输量子信息。”

这一发现的实现在一定程度上是由于该团队开发了一种新的广域成像装置，该装置使他们能够使用快速单光子探测器阵列与显微镜相结合，同时测量晶体材料内的许多不同空间位置。 王说：“我们能够对不同自旋物种的密度分布（如指纹）以及电荷传输动力学进行空间成像”，尽管这项工作仍处于初步阶段。

他说，虽然他们的工作是使用实验室生长的金刚石完成的，但这些原理可以应用于其他晶体固态缺陷。 金刚石的 NV 中心对研究很有吸引力，因为它们可以在室温下使用，并且已经得到了充分的研究。 但硅空位中心、硅中的供体、固体中的稀土离子和其他晶体材料可能具有不同的特性，这些特性可能对特定类型的应用有用。

“随着信息科学的进步，***终人们将能够控制单个原子和缺陷的位置和电荷。这是长期愿景，”李说。 与现有系统相比，“如果你能让每个原子存储不同的信息，那么它的信息存储和处理能力就会大得多”，在现有系统中，即使是单个比特也由许多原子的磁域存储。 “你可以说这是摩尔定律的***极限：***终会减少到一个缺陷或一个原子。”

王说，虽然某些应用可能需要更多的研究才能发展到实用水平，但对于某些类型的量子传感系统，新的见解可以快速转化为现实世界的用途。 “我们可以根据我们的结果立即提高量子传感器的性能，”他说。

“总的来说，这个结果对于固态自旋缺陷领域来说是非常令人兴奋的，”圣路易斯华盛顿大学物理学助理教授 Chong Zu 说，他专门研究量子信息，但没有参与这项工作。 “特别是，它引入了一种使用电荷电离动力学来连续调整局部自旋缺陷密度的强大方法，这在 NV 中心用于量子模拟和传感的应用中非常重要。”

来源：https://phys.org/news/2023-08-microscopic-density-materials.html