筑波大學(xué)的科學(xué)家們展示了如何利用超快光譜來(lái)提高量子傳感器的時(shí)間分辨率。通過(guò)測(cè)量金剛石晶格中相干自旋的方向，他們表明磁場(chǎng)甚至可以在很短的時(shí)間內(nèi)被測(cè)量出來(lái)。這項(xiàng)工作可能促進(jìn)超高精度測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展，即量子計(jì)量學(xué)，以及基于電子自旋的“自旋電子”量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

       量子傳感提供了以納米分辨率極其精確地監(jiān)測(cè)溫度以及磁場(chǎng)和電場(chǎng)的可能性。通過(guò)觀察這些特性如何影響傳感分子內(nèi)的能級(jí)差異，納米技術(shù)和量子計(jì)算領(lǐng)域的新途徑可能變得可行。然而，由于發(fā)光壽命有限，傳統(tǒng)量子傳感方法的時(shí)間分辨率以前被限制在微秒范圍內(nèi)。需要一種新的方法來(lái)幫助改進(jìn)量子傳感。

       現(xiàn)在，由筑波大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員開(kāi)發(fā)了一種在著名的量子傳感系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量的新方法。氮空位（NV）中心是鉆石中的特定缺陷，其中兩個(gè)相鄰的碳原子已被氮原子和空位取代。該位點(diǎn)的額外電子的自旋狀態(tài)可以使用光脈沖讀取或相干操縱。

       “例如，帶負(fù)電荷的NV自旋狀態(tài)可以用作具有全光學(xué)讀出系統(tǒng)的量子磁強(qiáng)計(jì)，即使在室溫下也是如此，”第一作者 Ryosuke Sakurai 說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)使用“逆科頓-穆頓”效應(yīng)來(lái)測(cè)試他們的方法。正常的科頓-穆頓效應(yīng)發(fā)生在橫向磁場(chǎng)產(chǎn)生雙折射時(shí)，雙折射可以將線性偏振光改變?yōu)榫哂袡E圓偏振。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們做了相反的事情，利用不同偏振的光來(lái)產(chǎn)生微小的受控局部磁場(chǎng)。

       日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所Muneaki Hase和他的同事Toshu An說(shuō)：“利用非線性光磁量子傳感技術(shù)，將有可能在具有高時(shí)空分辨率的先進(jìn)材料中測(cè)量局域磁場(chǎng)或自旋電流。”該團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)工作將有助于使量子自旋電子計(jì)算機(jī)成為敏感的自旋態(tài)，而不是像目前的計(jì)算機(jī)那樣僅僅是電荷。這項(xiàng)發(fā)表在APL Photonics上的研究，也可能使新的實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)的設(shè)備操作條件下觀察磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，甚至可能是單自旋。

       相關(guān)文獻(xiàn)：

       Ryosuke Sakurai et al, Ultrafast opto-magnetic effects induced by nitrogen-vacancy centers in diamond crystals, APL Photonics (2022).DOI: 10.1063/5.0081507