金剛石中一種被稱為氮空位 (NV) 中心的特定類型的自旋缺陷因其在各種量子應(yīng)用中的潛在用途成為研究最廣泛的系統(tǒng)之一。NV 中心的自旋對任何物理、電或光學(xué)干擾都很敏感，使得它們成為潛在的高度敏感探測器。固態(tài)自旋缺陷是最有前途的量子平臺之一，然而許多有趣的特性只有在自旋缺陷密度變化時才能顯現(xiàn)出來。通過創(chuàng)建更密集的缺陷集合來增加相互作用強度也會帶來更多的退相干。理想情況下，人們希望隨意控制自旋濃度，同時保持固定的退相干效應(yīng)。

研究人員工作中使用的激光設(shè)備

       研究人員表明，通過利用電荷傳輸，可以朝這個方向采取一些步驟，同時表征電荷傳輸及其通過缺陷的捕獲。通過利用金剛石中 NV 中心電離和重組的循環(huán)過程，將電子從價帶泵送到導(dǎo)帶。然后傳輸這些電荷，通過改變材料缺陷的電荷狀態(tài)來調(diào)節(jié)自旋濃度。通過開發(fā)與快速單光子探測器陣列集成的寬視場成像裝置，通過以微米級空間分辨率測量旋轉(zhuǎn)浴的完整光譜，實現(xiàn)了電荷重新分布過程的直接有效的表征。

       該研究證明了主要自旋缺陷的濃度增加了兩倍，同時保持NV中心的T2相對不變，這也提供了通過超精細相互作用抑制自旋觸發(fā)器的潛在實驗證明。該項工作為研究混合電荷自旋系統(tǒng)中具有時間和空間可調(diào)相互作用強度的多體動力學(xué)鋪平了道路。相關(guān)研究以“Manipulating solid-state spin concentration through charge transport”為題發(fā)表在《PNAS》上。

       圖文導(dǎo)讀

       光照下電子自旋種的再分布

       電荷態(tài)的壽命

       想干時間成像

       總結(jié)

       該研究提出并演示了通過電荷傳輸來操控金剛石中的自旋濃度。利用光誘導(dǎo)電荷在不同自旋物種之間的重新分布，不同自旋物種之間的翻轉(zhuǎn)抑制不同，探針（NV）自旋的相干時間相對不變。除了在序列重復(fù)下表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)外，研究人員還展示了表征電荷動態(tài)的可行性。該工作通過測量DEER光譜提供了一種靈活的工具，可以表征材料，包括電荷和自旋動態(tài)。

       近年來，固態(tài)缺陷已經(jīng)顯示出在探索流體力學(xué)方面的潛力，旨在彌合微觀量子定律與宏觀經(jīng)典現(xiàn)象之間的差距。自旋集合中的天然偶極相互作用可作為一個多用途平臺，用于設(shè)計和表征多體量子自旋系統(tǒng)。該工作提供了在同一材料中在這些自旋傳輸實驗中臨時和空間上調(diào)整自旋濃度的方法，同時保持自旋相干時間。此外，將電荷自由度引入系統(tǒng)，為用兩種耦合的傳輸機制設(shè)計多體系統(tǒng)提供了更靈活的平臺。

       進一步將設(shè)置與波長可調(diào)的激光集成，可以更精確地揭示缺陷能級與材料能帶之間的關(guān)系，從而在將實驗與第一性原理計算相結(jié)合時，能夠識別出各種缺陷。這種指紋能夠更完整地重建局部電荷和自旋環(huán)境。將電荷密度控制與自旋到電荷轉(zhuǎn)換相結(jié)合，為通過電荷載流子的相干傳輸量子信息以及按需產(chǎn)生其他量子自旋缺陷鋪平了道路。此外，提高局部電荷密度的光學(xué)可調(diào)性對于通過激光束成形開發(fā)電荷透鏡是具有前景的。

       文章來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2305621120