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在微觀世界中，電子的“自旋”是其基本屬性之一，如同一個個微小的磁針。材料的許多宏觀特性，如磁鐵的磁性或超導體的零電阻，都源于這些微觀“磁針”的排列與相互作用。
研究人員介紹，探測單個自旋，對物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元進行測量，不僅能為理解物性提供全新視角，更為發(fā)展單分子磁探測技術(shù)和推進量子科技奠定堅實基礎(chǔ)。然而，由于物質(zhì)中含有大量自旋，對單個自旋的探測相當于在喧鬧的體育場中清晰捕捉到某個人的竊竊私語，這對相關(guān)技術(shù)提出挑戰(zhàn)。
金剛石氮-空位色心量子傳感器，因其納米級的分辨能力和高靈敏的磁探測能力，一直是實現(xiàn)單自旋探測的重要技術(shù)途徑。研究團隊朝向單自旋探測的科學目標，通過長期積累，發(fā)展出高精度的自旋量子調(diào)控技術(shù)和金剛石量子傳感核心器件與裝備，在前期工作中已能通過頻譜差異識別出那些帶有特殊“標記”的單自旋。
研究人員介紹，十多年來，研究團隊著力于高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，打通了涵蓋二十多道環(huán)節(jié)的完整工藝流程，掌握了其中的關(guān)鍵工藝。他們通過材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，首次成功開發(fā)出糾纏增強型納米單自旋探測技術(shù)，在固態(tài)體系中實現(xiàn)了對微觀磁信號靈敏度與空間分辨率的同步提升，為納米尺度量子精密測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展鋪平道路。
據(jù)了解，這項突破性技術(shù)實現(xiàn)了三大重要進展：成功區(qū)分并探測到相鄰的兩個“暗”電子自旋；在嘈雜環(huán)境中將探測靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；能夠?qū)崟r監(jiān)測并主動調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號。
研究人員表示，該成果不僅實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢與巨大潛力，也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強大的納米磁強計，為原子層面研究量子材料打開新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學和化學等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。相關(guān)金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術(shù)也是實現(xiàn)室溫金剛石量子計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
